Оглавление
Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯИНФОРМАТИКИ
1.1 Понятие, содержание, объект ипредмет информатики
1.2 Задачи, роль и местокурса информатики в подготовке
специалистов
1.3 Информатизация общества
1.4 Информация и ее свойства
1.4.1 Информация и данные
1.4.2 Мерыинформации
1.4.2.1Синтаксическая мера информации
1.4.2.2Семантическая мера информации
1.4.2.3 Прагматическая мераинформации
1.4.3 Качество информации
1.5 Кодирование сигналов
1.5.1 Основные виды и способыобработки и кодирования данных
1.5.2 Кодирование текста
1.5.3 Два способа кодирования изображения
1.5.4 Кодирование звука
1.5.5 Цифровое кодирование
1.5.5.1 Метод биполярного кодированияс альтернативной инверсией
1.5.5.2 Потенциальный код с инверсиейпри единице
1.5.5.3 Биполярный импульсный код
1.5.5.4 Манчестерский код
1.5.6 Обработка аналоговой и цифровойинформации
1.5.7 Модуляция сигналов
1.6 Структура и закономерностипротекания информационных
процессов
1.6.1 Информационная система
1.6.2 Процесс сбора информации
1.6.3 Процесспередачи информации
1.6.4 Обработка информации
1.6.5 Хранение информации
1.6.6 Системы хранения данных
1.7 Правовые аспекты информационныхтехнологий
1.7.1 Информация, информационныепроцессы и системы как объект правового регулирования общественных отношений
1.7.1.1 Принципы информационногоправа
1.7.1.2 Методы информационного права
1.7.2. Информационноезаконодательство в сфере
информационных технологий
1.8 Основы защиты информации
1.8.1Основные понятия, актуальность и основные проблемы
защитыинформации современных информационных
систем
1.8.2 Классификация угроз современнымсистемам обработки
информации
1.8.3 Классификация способов исредств защиты информации
Лекция 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ
2.1 Арифметические и логическиеосновы ЭВМ
2.1.1 Представление данных в ЭВМ
2.1.1.1 Представление команд в ЭВМ
2.1.2 Системы счисления
2.1.2.1 Десятичная система счисления
2.1.2.2 Двоичная система счисления
2.1.2.3 Восьмеричная системасчисления
2.1.2.4 Шестнадцатеричная системасчисления
2.1.3 Элементы математической логики
2.1.4 Методы перевода чисел из однойсистемы счисления
в другую
2.1.4.1 Метод прямого замещения
2.1.4.2 Метод деления
2.1.4.3 Метод умножения
2.2 Структурная схема ПЭВМ
2.2.1 Состав и техническиехарактеристики ПЭВМ
2.2.1.1 Понятие архитектуры
2.2.1.2 Структура компьютера
2.2.2 Состав и назначение основныхблоков и узлов ПЭВМ
2.2.2.1 Назначение основных устройствЭВМ
2.2.3 Внутри машинный системныйинтерфейс
2.2.4 Функциональные характеристикиПЭВМ
2.3 Микропроцессоры
2.3.1 Типы и структурамикропроцессоров
2.3.1.1 Основные характеристики МП
2.3.1.2 Типовая структурамикропроцессора
2.3.1.3 Программно-логическая модельцентрального
процессора
2.3.1.4 Особенности процессоров фирмыIntel
2.4 Запоминающие устройства
2.4.1 Организация оперативной памяти
2.4.1.1 Организация доступа памяти вIntel-совместимых
процессорах
2.4.1.2 Области памяти IBMсовместимых персональных
компьютеров
2.4.1.3 Общая характеристика способовреализации запоминающих
устройств
2.4.2 Регистровая КЭШ — память
2.4.3 Внешняя память
2.4.3.1 Классификация внешнихзапоминающих устройств
2.4.3.2 Накопители на гибкихмагнитных дисках
2.4.3.3 Правила обращения с дисками
2.4.3.4 Накопители на жесткихмагнитных дисках
2.4.3.5 Накопители на оптическихдисках
2.4.3.6 Накопители на магнитной ленте
Лекция 3. Программное обеспечение ПЭВМ
3.1 Общая характеристика и составпрограммного
обеспечения
3.1.1 Состав и назначениепрограммного обеспечения
3.1.1.1 Классификация программногообеспечения
3.1.2 Система программирования
3.1.2.1 Языки программирования
3.1.3 Прикладное программирование
3.2 Операционные системы
3.2.1 Общие сведения об операционныхсистемах
3.2.2 Состав и структура операционнойсистемы MS-DOS
3.3 Операционная система MS-DOS
3.3.1 Логическая структура дисков
3.3.1.1 Логическая структура гибкогомагнитного диска
3.3.1.2 Логическая структура жесткогомагнитного диска
3.3.2 Начальная загрузка MS-DOS
3.3.3 Файловая система MS-DOS
3.3.3.1 Файлы
3.3.3.2 Каталоги
3.3.3.3 Путь и приглашение
3.4 Сервисное программное обеспечение
3.4.1 Характеристика компьютерных вирусов
3.4.2 Способы распространения иструктура компьютерных
вирусов
3.4.2.1 Файловые вирусы
3.4.2.2 Загрузочные вирусы
3.4.3 Программы обнаружения и защитыот компьютерных вирусов
3.4.4 Общие сведения об архивациифайлов
1) 3.5 Операционнаясистема Windows
2) 3.5.1 Общиесведения об операционной системе Windows
3) 3.5.2 Концепциявиртуальных машин
4) 3.5.3 Архитектурафайловой системы3.5.4 Интерфейс прикладногопрограммирования (Windows API)3.5.5 Компоненты подсистемы Plug and Play
Список используемых сокращений
АИС — автоматизированная информационнаясистема;
АМ — амплитудная модуляция;
АРМ — автоматизированное рабочее место;
АСОД — автоматизированная система обработкиданных;
АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
БЗ — база знаний;
ДИ — декодер информации;
ИБ — информационная безопасность;
ИВЦ — информационно-вычислительный центр;
ИВЦКП — информационно-вычислительный центрколлективного
пользования;
ИКТ — информационные и коммуникационныетехнологии;
ИП — информационный процесс;
ИР — информационные ресурсы;
ИС — информационная система
ИТ — информационная технология;
ИТКС — информационная телекоммуникационнаясистема;
КИ — кодер источника;
КС — канал связи;
ЛВС — локальная вычислительная сеть;
МККТТ — Международный консультационныйкомитет по
телеграфии и телефонии;
МП — микропроцессор;
МСЭ — Международный совет электросвязи;
НГМД — накопитель на гибком магнитномдиске;
НЖМД — накопитель на жестком магнитномдиске;
ОС — операционная система;
ОУ — объект управления;
ПРД — передатчик;
ПРМ — приемник;
ПЭВМ — персональная электроннаявычислительная машина;
СВТ — средствавычислительной техники;
СИБ — система информационной безопасности;
СМИ — средства массовой информации;
СУБД — система управления базами данных;
СХД — система хранения данных;
ТСОИ — технические средства обработкиинформации;
ФЗ — Федеральный закон;
ФМ — фазовая модуляция;
ФСО –Федеральная служба охраны;
ФСБ — Федеральная служба безопасности;
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь;
ЧМ — частотная модуляция;
ЭВМ — электронная вычислительная машина;
ЭВТ — электронная вычислительная техника;
ЭЦП –электронная цифровая подпись;
AMI — метод биполярного кодирования с альтернативной
инверсией;
ASCII — American Standard Code ofInformation Interchange
(американский стандартныйкод обмена
информацией);
IBM — International Business Machine Corp;
FC — fiber channel;
HBA — host bus adapter;
PIT — point-in-time;
PC — personal computer (персональный компьютер);
SAN — storage area network.
ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯИНФОРМАТИКИ
1.1 Понятие, содержание,объект и предмет информатики
Термин«информатика» начал использоваться в отечественной научно-техническойлитературе в начале 80-х гг. и быстро приобрел широкую популярность.Первоначально он зародился во Франции в середине 60-х гг. ХХ в. (от фр.informatique) и применяется в странах Европы для обозначения области научныхзнаний, связанных с автоматизацией обработки информации с помощью электронныхвычислительных машин (ЭВМ). В англоязычных странах для этой цели используетсятермин «computer science» (вычислительная наука).
Выделение информатики как самостоятельной области человеческойдеятельности в первую очередь связано с развитием компьютерной техники, причемосновная заслуга в этом принадлежит микропроцессорной технике, появлениекоторой в середине 70-х гг. послужило началом второй электронной революции. Сэтого времени элементной базой вычислительной машины становятся интегральныесхемы и микропроцессоры, а область, связанная с созданием и использованиемкомпьютеров, получила мощный импульс в своем развитии.
В 1978 г. международный научный конгресс официально закрепил за понятием «информатика»направления, связанные с разработкой, созданием, использованием иматериально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включаякомпьютеры и их программное обеспечение, а также организационные,коммерческие, административные и социально-политические аспектыкомпьютеризации, т. е. массовое внедрение компьютерной техники во все областижизни людей.
Существует множество определений информатики, что связано смногогранностью ее функций, возможностей, средств и методов. Обобщаяопубликованные в литературе по информатике определения этого термина,предлагаем следующую трактовку.
Информатика — это основанная на использованиикомпьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойстваинформации, а также закономерности и методы ее создания, хранения, поиска,преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческойдеятельности.
Часто возникает путаницапонятий «информатика» и «кибернетика». Попытаемсяразъяснить их сходство и различие.
Кибернетика – это наукаоб общих принципах управления в различных системах: технических, биологических,социальных и др.
Информатика занимаетсяизучением процессов преобразования и создания новой информации более широко,практически не решая задачи управления различными объектами, как кибернетика.Информатика появилась благодаря развитию компьютерной техники, базируется наней и совершенно немыслима без нее. Кибернетика развивается сама по себе и,активно используя достижения компьютерной техники, совершенно от нее независит, так как строит различные модели управления объектами.
Информатика – научнаядисциплина с широчайшим диапазоном применения:
в разработке вычислительных систем и пpогpаммногообеспечения;
теории информации, изучающей процессы, связанные спередачей, приемом, преобразованием и хранением информации;
методах искусственного интеллекта, позволяющихсоздавать программы для решения задач, требующих определенных интеллектуальныхусилий при выполнении их человеком (логический вывод, обучение, понимание речи,визуальное восприятие, игры и др.);
системном анализе, заключающемся в анализе назначенияпроектируемой системы и в установлении требований, которым она должна отвечать;
методах машинной графики, анимации, средствах мультимедиа;
средствах телекоммуникации, в том числе глобальныхкомпьютерных сетях, объединяющих все человечество в единое информационноесообщество;
разнообразных приложениях, охватывающих производство,науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие видыхозяйственной и общественной деятельности.
Информатику представляютсостоящей из трех частей: технические, программные и алгоритмические средства.
Технические средства, т.е. аппаратура компьютеров, в английском языке обозначаются словом Hardware,которое буквально переводится как «твердые изделия».
Для программных средстввыбрано (а точнее, создано) слово Software (буквально – «мягкиеизделия»), подчеркивающее равнозначность программного обеспечения и самоймашины и способность программного обеспечения модифицироваться,приспосабливаться, развиваться.
Программное обеспечение –это совокупность всех программ, используемых компьютерами, а также вся областьдеятельности по их созданию и применению.
Алгоритмические средствароссийский академик А. А. Дородницин предложил называть Brainware (от англ.brain – интеллект). Эта часть информатики связана с разработкой алгоритмов иизучением методов и приемов их построения. Нельзя приступить кпрограммированию, не разработав предварительно алгоритм решения задачи.
ВАкадемии ФСО России дисциплина «Информатика» предназначена дляподготовки специалистов по направлению «Информатика и вычислительнаятехника» и является одной из основных дисциплин естественнонаучного цикла.Это теоретический базис, основа для подготовки специалиста, умеющего решатьзадачи профессиональной деятельности в области автоматизированных системобработки информации и управления. Освоение учебного материала дисциплиныбазируется на общей физико-математической подготовке обучаемых, знаниях основинформатики, иностранного языка; умениях использовать математические методы приформализации и решении прикладных задач.
Такиезнания и умения обучаемые приобретают при изучении дисциплин«Физика», «Высшая математика», «Информатика» (вобъеме средней школы) и соответствующих дисциплин вуза.
Дисциплинасодержит материал, необходимый для изучения информации, как основного объекта государственно-правовогорегулирования деятельности должностных лиц в различных сферах и видахдеятельности, в том числе органов государственной власти и местногосамоуправления. Она носит теоретико-прикладную направленность. Ее содержаниевключает как фундаментальные знания информационной науки, так и основныевопросы практического использования новых информационных технологий, в основекоторых лежит применение ЭВМ, систем и сетей ЭВМ.
Объектоминформатики выступают автоматизированные, основанные на ЭВМ и телекоммуникационнойтехнике, информационные системы различного класса и назначения. Рассматриваютсявсе стороны их разработки, проектирования, создания, анализа и использования напрактике.
Предметинформатики как науки составляют аппаратное и программное обеспечение средстввычислительной техники, средства взаимодействия аппаратного и программногообеспечения, средства взаимодействия человека с аппаратными и программнымисредствами.
Средства взаимодействия винформатике принято называть интерфейсом, поэтому средства взаимодействияаппаратного и программного обеспечения называют также программно-аппаратныминтерфейсом, а средства взаимодействия человека с аппаратными и программнымисредствами – интерфейсом пользователя.
1. 2Задачи, роль и место курса информатики в подготовке специалистов
Целиизучения дисциплины:
1.Подготовка выпускника к деятельности в территориальных органах и подразделенияхсвязи специального назначения Службы специальной связи и информации ФСО РФ наинженерных и командных должностях на базе полученных в соответствии соспециальностью, знаний, умений и навыков в области автоматизированных системобработки информации и управления.
2.Развитие у подготавливаемых специалистов основ информационного мышления икультуры, адекватных современному уровню развития информационной науки и новыминформационным технологиям.
3.Формирование знаний и умения использовать естественно-научные знанияинформатики и математики, необходимые для выполнения служебной деятельности вразличных сферах развивающегося информационного общества: социально-правовой,информационной, обеспечения информационной безопасности личности, общества игосударства, защиты конфиденциальной информации и сведений, составляющихгосударственную, коммерческую и другие виды тайны; постановки информационныхзадач, моделирования и анализа информации; осуществления дальнейшегопрофессионального самообразования в области информатики и математики.
Задачиизучения дисциплины:
1. Созданиенаучных представлений об информатике как особом способе познания мира, об ихместе и роли в общей системе социально-экономических, гуманитарных,естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин.
2. Развитиеинформационной культуры, в которой рассматриваются основные положенияинформатизации общества, понятия информации, ее свойств, характеристик,современных информационных технологий.
3. Ознакомление снаучно-методологической, методической, понятийной основами информатики, а такжес особенностями использования в изучении и исследовании правовых учений,процессов, общественных отношений.
4. Изучениеконцептуальных взглядов, направлений, проблем, перспектив развития информатики.
5. Изучениесовременных принципов, методов и средств сбора, обработки, передачи, хранения ипереработки информации, в том числе правовой.
6. Изучениеметодических и практических проблем технологии автоматизации видов и сфергосударственно-правовой деятельности и связанных с ними процессов обработкиинформации.
7.Приобретение необходимых знаний в области алгоритмизации и программированиязадач профессиональной деятельности.
8.Получение знаний устройства и основных принципов работы персональногокомпьютера как основного инструмента по обработке информации.
9.Овладение умениями использования и работы с современными информационнымитехнологиями, а также со стандартным и специализированным программнымобеспечением:
− привитие уменияэффективного использования персональных компьютеров в правореализационной иправотворческой деятельности;
− формированиеадаптивности специалиста к непрерывному изучению основных видов и средствпредставления и обработки информации;
− приобретениезнаний об организации внедрения, методах и способах использования новыхинформационных технологий для повышения эффективности государственнойдеятельности;
− изучение базовыхпонятий, положений, современных проблем и направлений обеспеченияинформационной безопасности личности, общества и государства и информационныхсистем;
− привитие навыковинформационного мышления при решении задач оперативно-служебной деятельности;
− раскрытиесодержания общих понятий о численной реализации задач с целевыми функциями наперсональных компьютерах.
Врезультате изучения дисциплины «Информатика» специалисты должнысоответствовать государственным требованиям к минимуму содержания и уровнюподготовки специалиста, а также дополнениям к государственным требованиям кминимуму содержания и уровню подготовки выпускника Академии ФСО России.
В результате изучениядисциплины «Информатика» курсанты должны
знать:
– характеристики и архитектуру основных классов ЭВМ;
– структуру, технические характеристики и особенности построенияосновных устройств современных ЭВМ;
– принципы алгоритмизации, технологию разработки программ решенияинформационных и вычислительных задач с помощью ЭВМ;
– один из языков программирования высокого уровня (Turbo Pascal);
– назначение и возможности текстовых и табличных процессоров,интегрированных программных средств;
– назначение, принцип построения и возможности систем управлениябазами данных (СУБД);
– назначение и возможности операционных систем и системногопрограммирования;
уметь:
– работать с операционной системой (ОС) и ее оболочками;
– составлять программу обработки информации;
– формализовать прикладную задачу и разработать алгоритм ее решенияна ЭВМ;
– работать с текстовыми и табличными процессорами и СУБД;
– работать с пакетами прикладных программ специального назначения;
– организовывать грамотную эксплуатацию вычислительной техники;
иметь представление:
– о современной технологии программирования сложных системобработки информации;
– способах защиты информации, обрабатываемой на ЭВМ, отнесанкционированного доступа, копирования, уничтожения, а также основныхспособах борьбы с компьютерными вирусами.
Роль информатики вразвитии общества чрезвычайно велика. С ней связано начало революции в областинакопления, передачи и обработки информации. Эта революция, следующая зареволюциями в области овладения веществом и энергией, затрагивает и кореннымобразом преобразует не только сферу материального производства, но иинтеллектуальную, духовную сферы жизни.
Рост производствакомпьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новыхинформационных технологий приводят к значительным изменениям во всех сферахобщества: производстве, науке, образовании, медицине и т. д.
1.3 Информатизация общества
В истории развития цивилизации произошло несколько информационныхреволюций – преобразованийобщественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработкиинформации. Их следствием явилось приобретение человеческим обществом новогокачества.
Первая революция произошла с изобретением письменности, что привело кгигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможностьпередачи знаний от поколения к поколению.
Вторая (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания,радикально изменившим индустриальное общество, культуру, организациюдеятельности.
Третья (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества,благодаря чему появились телеграф, телефон, радио (1895 г.), позволяющие оперативно передавать информацию.
Четвертая (70-е гг. XX в.) связана с изобретением микропроцессорнойтехнологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах иинтегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачиданных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют трифундаментальные инновации:
1. Переход от механических иэлектрических средств преобразования информации к электронным.
2. Миниатюризация всех узлов,устройств, приборов, машин.
3. Созданиепрограммно-управляемых устройств и процессов.
Для создания более целостного представления об этом периоде целесообразнопознакомиться с приведенной ниже справкой о смене поколений ЭВМ и сопоставитьэти сведения с этапами развития в области обработки и передачи информации(табл. 1.1).
История зарождения и развития вычислительной техники довольно коротка. Еепринято исчислять с 1833 г., когда английский математик Чарльз Беббидж впервыепроникся идеей создания механического «вычислительного помощника», вкотором используется принцип программного управления. Потребовалось более 100лет, чтобы эта идея, обогащенная американским математикомДж. фон Нейманом в 1945–1947 гг., положила начало эры ЭВМ,базирующихся на появившихся к тому времени электронных лампах.
Первая быстродействующая ЭВМ ЭНИАК, созданная американскими специалистамив Пенсильванском университете, состояла из 18 тыс. электронных ламп,потребляла более 100 кВт электроэнергии, весила 30 т и занимала комнату длиной 30 м. Машина была специализированной и предназначалась для решения дифференциальных уравнений взадачах расчета траекторий. С момента создания в 1947 г. первой программно-управляемой цифровой ЭВМ начался бурный прогресс вычислительнойтехники.
Таблица 1.1Справка о смене поколений ЭВМПоко-ление Время Элементная база Характеристика 1-е Начало 50-х гг. Электронные лампы ЭВМ отличались большими габаритами, высоким потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах 2-е С конца 50-х гг. Полупроводни-ковые элементы Улучшились все технические характеристики. Для программирования использовались алгоритмические языки 3-е Начало 60-х гг. Интегральные схемы, многослойный печатный монтаж Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности 4-е С сере-дины 70-х гг. Микропроцессоры, большие интегральные схемы (БИС) Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направление развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ 5-е С сере-дины 80-х гг. Разработка интеллектуальных компьютеров Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных технологий
Совершенствование элементной базы привело к существенному уменьшениюразмеров, стоимости и энергопотребления, а также к повышению быстродействия инадежности ЭВМ. Эволюция архитектурных решений способствовала успешному роступоследних двух показателей. Большие успехи были достигнуты также в областипериферийного оборудования, что существенно облегчило общение пользователей ЭВМ.
В 1982 г. Х. Тунг и А. Гупта провели сравнение, иллюстрирующее высокиетемпы развития средств вычислительной техники (СВТ): «Если бы за последние25 лет авиационная промышленность развивалась столь же стремительно, как и вычислительнаятехника, то „Боинг-767“ можно было бы приобрести сегодня за 500 долл.и облететь на нем земной шар за 20 минут, израсходовав при этом 19 литров горючего». С тех пор скорость вычислений возросла в 20 раз, а размеры иэнергопотребление ЭВМ стали в 10 000 раз меньше, чем у машин сравниваемойпроизводительности 25-летней давности. В последние годы отмеченные тенденции нетолько сохранились, но и усилились. Исходя из этого вполне закономерным явилосьпоявление микропроцессоров (МП) и создание на их основе микроЭВМ, венцомкоторых стали ПЭВМ. Первая персональная машина была сконструированаамериканской фирмой MITS в 1975 г. и названа Altair8800. По сегодняшним меркам она, ощетинившаяся индикаторными лампочками ипереключателями, выглядит довольно странно. Цена ее составляла около 6 000долл. Эта машина давно уже не выпускается.
Следующая ПЭВМ была создана в буквальном смысле в гараже двумяамериканцами С. Возняком и С. Джобсоном в 1976 г. Она получила название Apple-I. Весной 1977 г. ими же был изготовлен относительно дешевый и вместе с тем вполне законченный персональныйкомпьютер Apple-II. В результате домашняямастерская превратилась в процветающую фирму Apple Computer, которая продолжительное время занималадостойное место на рынке ПЭВМ.
В начале 80-х гг. в ряды производителей ЭВМ влились компьютерные гиганты International Business Machine Corp (IBM), DEC и Hewlett-Packard.
Во второйполовине XX в. человечество вступило в новыйэтап своего развития. В этот период начался переход от индустриального обществак информационному.
Бурное развитие компьютерной техники и информационныхтехнологий послужило толчком к развитию общества, построенного на использованииразличной информации и получившего название информационного общества.
Информационноеобщество – общество, в котором большинство работающих занято производством,хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы –знаний.
Японские ученые считают, что в информационном обществе процесскомпьютеризации даст людям доступ к надежным источникам информации, избавит ихот рутинной работы, обеспечит высокий уровень автоматизации обработкиинформации в производственной и социальной сферах. Движущей силой развитияобщества должно стать производство информационного, а не материальногопродукта. Материальный продукт станет информационно более емким, что означаетувеличение доли инноваций, дизайна и маркетинга в его стоимости.
В информационном обществе изменятся не только производство, но и весьуклад жизни, система ценностей, возрастет значимость культурного досуга поотношению к материальным ценностям. По сравнению с индустриальным обществом,где все направлено на производство и потребление товаров, в информационномобществе производятся и потребляются интеллект, знания, что приводит кувеличению доли умственного труда.
Дляинформационного общества характерно обеспечение требуемой степениинформированности всех его членов, возрастание объема и уровня информационныхуслуг, предоставляемых пользователю. Такое общество в теоретическом аспектехарактеризуется высокоразвитой информационной сферой (инфосферой), котораявключает деятельность человека по созданию, переработке, хранению, передаче инакоплению информации.
Информационноеобщество имеет следующие признаки:
1. Большинство работающих (около 70 %)занято в информационной сфере, т. е. сфере производства информации иинформационных услуг.
2. Обеспечены техническая, технологическаяи правовая возможности доступа любому члену общества практически в любом пунктерасположения и в приемлемое время к нужной ему информации (за исключениемвоенных и государственных секретов, точно оговоренных в соответствующихзаконодательных актах).
3. Информация становится важнейшимстратегическим ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике,образовании и культуре.
Материальной и технологической базой информационного общества станутразличного рода системы на базе компьютерной техники и компьютерных сетей,информационной технологии, телекоммуникационной связи.
Процесс,обеспечивающий этот переход, получил название «информатизация». Информатизация общества – организованныйсоциально-экономический и научно-технический процесс создания условий дляудовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органовгосударственной власти, органов местного самоуправления, организаций,общественных объединений на основе формирования и использования информационныхресурсов. При этом информация становится важнейшим стратегическим ресурсомобщества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре.
Неизбежностьинформатизации общества обусловлена возрастанием объема информации, которое особенно стало заметно в середине XX в. Лавинообразный поток информации хлынул на человека, не давая емувозможности воспринять эту информацию в полной мере. В ежедневно появляющемсяновом потоке информации ориентироваться становилось все труднее. Подчас выгоднеестало создавать новый материальный или интеллектуальный продукт, чем вестирозыск аналога, сделанного ранее.
Образование больших потоков информации обусловливается:
– чрезвычайно быстрым ростомчисла документов, отчетов, диссертаций, докладов и т. п., в которых излагаютсярезультаты научных исследований и опытно-конструкторских работ;
– постоянно увеличивающимсячислом периодических изданий по разным областям человеческой деятельности;
– появлением разнообразныхданных (метеорологических, геофизических, медицинских, экономических и др.),записываемых обычно на магнитных лентах и поэтому не попадающих в сферудействия системы коммуникации.
Как результат – наступаетинформационный кризис (взрыв), следующие проявления:
– появляются противоречия междуограниченными возможностями человека по восприятию и переработке информации исуществующими мощными потоками и массивами хранящейся информации. Так, общаясумма знаний менялась вначале очень медленно, но уже с 1900 г. она удваивалась каждые 50 лет, а к 1950 г. удвоение происходило каждые 10 лет, к 1970 г. – каждые 5 лет, с 1990 г. – ежегодно;
– существует большое количествоизбыточной информации, которая затрудняет восприятие полезной для потребителяинформации;
– возникают определенныеэкономические, политические и другие социальные барьеры, препятствующиераспространению информации. Например, по причине соблюдения секретности часто кнеобходимой информации запрещен доступ работникам разных ведомств.
Эти причины породили весьма парадоксальную ситуацию: вмире накоплен громадный информационный потенциал, но люди не могут имвоспользоваться в полном объеме в силу ограниченности своих возможностей.Выходом из создавшегося положения явилось бурное развитие компьютерной техникии информационных технологий.
Современная информационная технология опирается на достижения в областикомпьютерной техники и средств связи.
Информационнаятехнология (ИТ) – процесс, использующийсовокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичнойинформации) для получения информации нового качества о состоянии объекта,процесса или явления.
Важнейшим видом информационных технологий является телекоммуникация– дистанционная передача данных на базекомпьютерных сетей и современных технических средств связи.
Процессперехода от постиндустриального общества к информационному происходит неодновременно в различных странах и характеризуется разными темпами развития.Первыми на этот путь встали в конце 50-х гг. – начале 60-х гг. XX в. США, Япония и страны ЗападнойЕвропы. В этих государствах, начиная с 60–70-х гг., проводится политикаповсеместной информатизации всех сфер деятельности человека. Были разработаны иприняты на государственном уровне программы информатизации с целью наиболееполного использования информационного ресурса для ускорения экономического,социального и культурного развития общества. Предполагается, что США завершатпереход к информационному обществу к 2020 г., Япония и основные страны Западной Европы – к 2030–2040 гг.
В СССР в 1989 г. была разработана Концепция информатизации общества. По предварительнымоценкам информатизация в России завершится к 2050 г. при условии стабилизации экономической и политической обстановки в стране. По мнениюспециалистов, любая страна, насколько бы индустриально развитой она ни была,перейдет в разряд стран третьего мира, если опоздает с информатизацией.
Еслипредшествующие этапы развития человечества длились каждый около трех веков, тоученые прогнозируют, что информационный этап продлится значительно меньше. Срокего существования ограничится, вероятно, сотней лет. Это означает, что основныерегионы мира войдут в развитое информационное общество в XXI в., и в этом же веке начнетсяпереход к постинформационному обществу.
Впроцессе информатизации общества происходит создание и накопление основноговида ресурса – информационного. Информационные ресурсы (ИР) – это идеичеловечества и указания по их реализации, накопленные в форме, позволяющей ихвоспроизводство.
Основныеособенности информационных ресурсов:
1) отличие от других видов ресурсов (вчастности материальных) практически неисчерпаемы; по мере/> развития общества и роста потребления знаний ихзапасы не убывают, а растут;
2) по мере использования не исчезают, асохраняются и даже увеличиваются (за счет трансформации полученных сообщений сучетом опыта и местных условий);
3) несамостоятельны и имеют лишьпотенциальное значение. Только соединяясь с другими ресурсами (опытом, трудом,квалификацией, техникой, энергией, сырьем), проявляются как движущая сила;
4) являются формой непосредственноговключения науки в состав производительных сил. В индустриальном обществе наукавыступает опосредованной производительной силой;
5) возникают в результате не простоумственного труда, а его творческой части. Рутинная часть умственной работысама по себе не информативна: она не увеличивает потенциала нужных знаний, неменяет представлений о путях достижения цели;
6) превращение знаний в информационныересурсы зависит от возможностей их кодирования, распределения и передачи.
Существуютдве формы ИР: пассивная и активная.
Кпассивной относятся книги, журнальные статьи, патенты и банки данных, а такжезнания, привязанные к конкретным предметным областям (например, выборки,извлечения данных и т. п.), если они некомплексные, т. е. недостаточные дляцеленаправленного применения.
Активные формы: модель,алгоритм, проект, программа и база знаний (БЗ).
Модель – это описаниесистемы, отображающее определенную группу ее свойств. Создание модели системыпозволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.
Алгоритм – этосовокупность правил, предписывающих выполнение последовательности действий,приводящих к решению задачи.
Программаи проект – конечные синтетические формы существования ИР в его жизненном цикле.
База знаний (knowledgebase) – это совокупность знаний о некоторой предметной области, на основекоторых можно производить рассуждения; основная часть экспертных систем, где спо-мощью БЗ представляются навыки и опыт экспертов, разрабатывающихэвристические подходы в ходе решения проблем. БЗ представляет собой наборфактов и правил, формализующих опыт специалистов в этой области и позволяющихдавать ответы на вопросы об этой предметной области, которые в явном виде несодержатся в БЗ.
В отличиеот баз данных, содержащих сведения о количественных и качественныххарактеристиках конкретных объектов, БЗ содержат концептуальные, понятийныезнания, выраженные на естественном языке в терминах предметной области, т. е.знания о стоящих за этими терминами классах объектов, их свойствах и логическихсвязях, которыми может оперировать машина логического вывода как элементискусственного интеллекта.
1.4 Информация и еесвойства
1.4.1 Информация и данные
Слово«информация», известное в наше время каждому, было введено впостоянное употребление в середине ХХ в. Клодом Шенноном в узком техническомсмысле применительно к теории связи или передачи кодов, получившей название«теория информации». В настоящее время этот термин имеет гораздоболее глубокий смысл. Это стало следствием необходимости осознаннойорганизации процессов движения и обработки того, что имеет общее название«информация» (от лат. informatio – разъяснение, осведомление, изложение) иявляется основным понятием информатики. Несмотря на значительное развитие этойнауки и ее составных частей, однозначного и всеми принятого определенияинформации нет.
Информация – этонастолько общее и глубокое понятие, что его нельзя объяснить одной фразой. Вэто слово вкладывают различный смысл в науке, технике и житейских ситуациях.
Информация – этосовокупность знаний о фактических данных и зависимостях между ними; содержание,которое присваивается данным посредством соглашений, распространяющихся на них;данные, подлежащие вводу в компьютер, обрабатываемые на нем и выдаваемыепользователю; законы, методы и способы накопления, обработки и передачиинформации с помощью компьютеров и иных технических устройств.
Врамках дисциплины «Информатика» оперируют следующим определением:
«Информация – сведения об объектах иявлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которыеуменьшают имеющуюся о них степень неопределенности и неполноты знаний».
Информатикарассматривает информацию как концептуально связанные между собой знания,сведения, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира. Эти знания можно разделить на двекатегории: знание фактов («Я знаю, что…» – декларативные знания) изнание правил («Я знаю, как…» – процедурные знания). Для того чтобыправильно определить свои действия в конкретной ситуации, равно необходимы ите, и другие.
Информация можетсуществовать в самых разнообразных формах: в виде текстов, рисунков, чертежей,фотографий, световых или звуковых сигналов, радиоволн, электрических и нервныхимпульсов, магнитных записей, жестов и мимики, запахов и вкусовых ощущений,хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойстваорганизмов, и т. д.
Предметы, процессы,явления материального или нематериального свойства, рассматриваемые с точкизрения их информационных свойств, называются информационными объектами.
Классификация видовинформации представлена в таблице 1.2.
Таблица 1.2Направления классификации Виды информации Сфера использования
– экономическая;
– техническая;
– генетическая Форма представления
– текстовая;
– числовая;
– графическая Способ передачи и восприятия
– визуальная (передаваемая видимыми образами и символами);
– аудиальная (передаваемая звуками);
– тактильная (передаваемая ощущениями);
– органолептическая (передаваемая запахом и вкусом);
– машинная (выдаваемая или воспринимаемая ЭВМ) Область возникновения
– элементарная (отражающая процессы и явления неодушевленной природы);
– биологическая (процессы живой природы);
– социальная (человеческого общества) Вид
– непрерывная (величина характеризующая процесс, не имеющий перерывов или промежутков);
– дискретная (последовательность символов, характеризующая прерывистую изменяющуюся величину) Внутренняя организация
– данные или простой, логически неупорядоченный набор сведений;
– логически упорядоченные наборы данных
Упорядоченностьданных достигается наложением на них некоторой структуры (отсюда частоиспользуемый термин – структура данных).
Особымобразом при этом выделяют организованную информацию – знания. Они в отличие отданных представляют собой информацию не о каком-то единичном и конкретномфакте, а о том, как устроены все факты определенного типа.
Знание –совокупность специализированных (ориентированных на решение многих задач изопределенной предметной области) фактов, правил обработки фактов, условийприменения этих правил к конкретным фактам, методов получения новых фактов испособов организации процесса логического вывода.
Свойствазнаний:
1) внутренняя интерпретируемость(сопоставление исходных данных, понятий и отношений с некоторымиматематическими или логическими объектами и отношениями между ними);
2) понимание смыслового содержанияинформационных единиц в ЭВМ;
3) активность (переосмысливаниеизвестных фактов при появлении новых сведений);
4) связность (возможность установленияфункциональных, структурных, семантических и других отношений между фактами иправилами);
5) конвертируемость (изменение формыпредставления знаний в процессе принятия решений).
Непрограммы управляют данными, а появление новых сведений приводит к вызовупрограмм обработки информации, уже имеющейся в системе.
Знания –это «живая», диалектическая система; они передаются другим людям,материализуются и существуют в трех формах:
– «живые»(квалификация);
– овеществленные;
– информация(сообщения).
Нарядус понятием «информация» в информатике часто употребляется понятие «данные», которые можно рассматривать:
1) как признакиили записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, атолько хранятся;
2) информация, представленная в виде,пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участиичеловека [4];
3) факты, понятия или команды,представленные в формализованном виде, позволяющем осуществлять их передачу,интерпре-тацию или обработку как вручную, так и с помощью систем автоматизации[12].
Еслипоявляется возможность использовать эти данные для уменьшения неопределенностио чем-либо, они превращаются в информацию, поэтому можно утверждать, чтоинформацией являются используемые данные. Например: Напишите на листе десять номеров телефонов в видепоследовательности десяти чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет этицифры как данные, так как они не предоставляют ему никаких сведений. Затемпротив каждого номера укажите название фирмы и род деятельности. Для вашегодруга непонятные цифры обретут определенность ипревратятся из данных в информацию, которую он в дальнейшем мог быиспользовать.
Когда говорят обавтоматизированной работе с информацией посредством каких-либо техническихустройств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, аколичеством символов, которое содержит это сообщение.
1.4.2Меры информации
Важнымвопросом теории информации является установление меры количества и качестваинформации (рис. 1.1).
/>Рис.1.1. Меры информации
Синтаксическаямера оперирует объемом данных и количеством информации Ia, выраженнойчерез энтропию (понятие неопределенности состояния системы).
Семантическаямера оперирует количеством информации, выраженной через ее объем и степеньсодержательности.
Прагматическаямера определяется ее полезностью, выраженной через соответствующиеэкономические эффекты.1.4.2.1Синтаксическая мера информации
Этамера количества информации оперирует с обезличенной информацией, не выражающейсмыслового отношения к объекту.
Насегодняшний день наиболее известны следующие способы количественного измеренияинформации: объемный, энтропийный, алгоритмический.
Объемныйявляется самым простым и грубым способом измерения информации. Соответствующуюколичественную оценку информации естественно назвать объемом информации.
Объеминформации – это количество символов в сообщении. Поскольку одно и то же числоможет быть записано многими разными способами, т. е. с использованием разныхалфавитов, например двадцать один – 21– XXI– 11001, то этот способ чувствителен к формепредставления (записи) сообщения. В вычислительной технике вся обрабатываемая ихранимая информация вне зависимости от ее природы (число, текст, отображение)представлена в двоичной форме (с использованием алфавита, состоящего всего издвух символов «0» и «1»).
Вдвоичной системе счисления единица измерения – бит (bit – binary digit – двоичный разряд).
В теории информации бит –количество информации, необходимое для различения двух равновероятныхсообщений; а в вычислительной технике битом называют наименьшую«порцию» памяти, необходимую для хранения одного из двух знаков«0» и «1», используемых для внутримашинного представленияданных и команд. Это слишком мелкая единица измерения, на практике чащеприменяется более крупная единица – байт, – равная 8 бит, необходимых для того,чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256 =28).
Широко используются такжееще более крупные производные единицы информации:
1 килобайт (кбайт) = 1024байт = 210 байт;
1 Мегабайт (Мбайт) = 1024кбайт = 220 байт;
1 Гигабайт (Гбайт) = 1024Мбайт = 230 байт.
В последнее время в связис увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление следующиепроизводные единицы:
1 Терабайт (Тбайт) = 1024Гбайт = 240 байт;
1 Петабайт (Пбайт) = 1024Тбайт = 250 байт.
Вдесятичной системе счисления единица измерения – дит(десятичный разряд).
Пример.
Сообщение в двоичной системе в виде восьмиразрядногодвоичного кода 1011 1011 имеет объем данных VД = 8 бит.
Сообщение в десятичной системе в виде шестиразрядногочисла 275 903 имеет объем данных VД= 6 бит.
В теории информации икодирования принят энтропийный подход к измерению информации. Получение информации о какой-либо системе всегдасвязано с изменением степени неосведомлен-ности получателя о состоянии этойсистемы. Этот способ измерения исходит из следующей модели.
Пусть до получения информации потребитель имеет некоторыепредварительные (априорные) сведения о системе α. После получениясообщения b получатель приобрел некоторую дополнительную информациюI(b), уменьшившую его неосведомленность. Эта информация в общем случаенедостоверна и выражается вероятностями, с которыми он ожидает то или иноесобытие. Общая мера неопределенности (энтропия) характеризуется некоторой математическойзависимостью от совокупности этих вероятностей. Количество информации всообщении определяется тем, насколько уменьшится эта мера после получениясообщения.
Так, американский инженерР. Хартли (1928 г.) процесс получения информации рассматривает как выбор одногосообщения из конечного наперед заданного множества из N равновероятныхсообщений, а количество информации i, содержащееся в выбранном сообщении, определяет как двоичный логарифм N(формула Хартли):
/>.
Допустим, нужно угадатьодно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можновычислить, какое количество информации для этого требуется: />, т. е. сообщение оверно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное6,644 единицам информации.
Другие примерыравновероятных сообщений:
1) при бросании монеты «выпаларешка», «выпал орел»;
2) на странице книги «количествобукв четное», «количество букв нечетное».
Нельзя ответитьоднозначно на вопрос, являются ли равновероятными сообщения «первой выйдетиз дверей здания женщина» и «первым выйдет из дверей зданиямужчина». Все зависит от того, о каком именно здании идет речь. Если это,например, станция метро, то вероятность выйти из дверей первым одинакова длямужчины и женщины, а если это военная казарма, то для мужчины эта вероятностьзначительно выше, чем для женщины.
Для задач такого родаамериканский ученый Клод Шеннон предложил в 1948 г. другую формулу определения количества информации, учитывающую возможную неодинаковуювероятность сообщений в наборе (формула Шеннона):
/>,
где /> – вероятность того, чтоименно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.
Легко заметить, что есливероятности /> …/> равны, токаждая из них равна /> и формула Шеннона превращается вформулу Хартли.
Помимо двух рассмотренныхподходов к определению количества информации, существуют и другие. Важнопомнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определенномукругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.
В алгоритмической теорииинформации (раздел теории алгоритмов) предлагается алгоритмический метод оценкиинформации в сообщении. Любому сообщению можно приписать количественнуюхарактеристику, отражающую сложность (размер) программы, которая позволяет еепроизвести.
Коэффициент(степень) информативности (лаконичности) сообщения определяется отношениемколичества информации к общему объему полученных данных:
/>, причем 0
Сувеличением Y уменьшаются объемы работ по преобразованию информации (данных) всистеме. Поэтому необходимо стремиться к повышению информативности, для чегоразрабатываются специальные методы оптимального кодирования информации.
1.4.2.2Семантическая мера информации
Семантика– наука о смысле, содержании информации.
Дляизмерения смыслового содержания информации, т. е. ее количества насемантическом уровне, наибольшее признание получила тезауруснаямера, связывающая семантические свойства информации со способностьюпользователя принимать поступившее сообщение. Одно и то же информационное сообщение (статья вгазете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертеж, радиопередачаи т. п.) может содержать разное количество информации для разных людей взависимости от их предшествующих знаний, уровня понимания этого сообщения иинтереса к нему.
Дляизмерения количества семантической информации используется понятие «тезаурус пользователя»,т. е. совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система.
Взависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S итезаурусом пользователя Sp изменяетсяколичество семантической информации Ic, воспринимаемойпользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезаурус. Характер такойзависимости показан на рисунке 1. 2.
/>
Рис.1. 2. Зависимость количества семантической информации, воспринимаемойпотребителем, от его тезауруса IC = f(Sp)
Рассмотримдва предельных случая, когда количество семантической информации IC равно 0:
– при /> пользовательне воспринимает, не понимает поступающую информацию;
– при /> пользовательвсе знает и поступающая информация ему не нужна.
Максимальноеколичество семантической информации /> потребитель приобретает присогласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом /> (/>), когда поступающаяинформация понятна пользователю и несет ему ранее неизвестные (отсутствующие вего тезаурусе) сведения.
Следовательно, количество семантическойинформации и новых знаний в сообщении, получаемое пользователем, являетсявеличиной относительной.
Относительной мерой количествасемантической информации может служить коэффициент содержательности С,определяемый как отношение количества семантической информации к ее объему:
/>.1.4.2.3Прагматическая мера информации
Этамера определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователемпоставленной цели. Это величина относительная, обусловленная особенностямииспользования информации в той или иной системе. Ценность информациицелесообразно измерять в тех же самых единицах (или близких к ним), в которыхизмеряется целевая функция.
Введенныемеры информации представлены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 Единицыизмерения информации и примерыМера информации Единицы измерения Примеры (для компьютерной области)
Синтаксическая:
шенноновский подход
компьютерный подход
Степень уменьшения неопределенности
Единицы представления информации
Вероятность события
Бит, байт, кбайт и т. д. Семантическая
Тезаурус
Экономические показатели
Пакет прикладных программ, персональный компьютер, компьютерные сети и т. д.
Рентабельность, производительность, коэффициент амортизации и т. д. Прагматическая Ценность использования
Емкость памяти, производительность компьютера, скорость передачи данных и т. д.;
денежное выражение;
время обработки информации и принятия решений
1.4.3 Качество информации
Получаякакую-либо информацию, человек пытается ее осмыслить и оценить: Что в нейнового? Насколько она ему важна? Правдива ли она? Может возникнуть множествовопросов относительно полученной информации. Как же правильно ее оценить?Оказывается, любая информация должна обладать рядом свойств. Только определив,насколько ваша информация отвечает присущим ей свойствам, можно оценить еекачество. Качество информации – обобщенная положительная характеристикаинформации, отражающая степень ее полезности для пользователя.
Важнейшие свойстваинформации: достоверность, полнота, доступность, актуальность, защищенность,ценность, содержательность, своевременность, защищенность.
Одно из свойствинформации – достоверность, означающая истинное, объективное отражениедействительности. Как известно, каждый человек воспринимает окружающуюдействительность субъективно, имея свои собственные, отличные от других взгляди мнение, поэтому передаваемая или получаемая человеком информация не можетбыть абсолютно объективна. Она лишь может быть максимально приближена кобъективной, например прогноз погоды. Существуют различные источники полученияинформации о предстоящей погоде: собственные наблюдения, сводки погоды,составленные метеослужбами различных ведомств, городов, а такжегидрометеорологическими службами целых регионов. Каждая из этих служб имеетсвои средства наблюдения и составления прогнозов, учитывает какие-то показателибольше, какие-то меньше. У всех различная точность предсказания погоды.
Точностьинформации определяется степенью близости получаемой информации к реальномусостоянию объекта, процесса, явления и т. п. Для информации, отображаемойцифровым кодом, известны четыре классификационных понятия точности:
– формальная, измеряется значением единицы младшего разряда числа;
– реальная, определяется значением единицы последнего разряда числа,верность которого гарантируется;
– максимальная, ее можно получить в конкретных условиях функционированиясистемы;
– необходимая, определяется функциональным назначением показателя.
Рассмотрим на примерепрогноза погоды свойства информации. Получая сводку погоды, в одних случаях насинтересует температура и влажность воздуха, в других – осадки и направлениеветра, в третьих, возможно, нам потребуется полная картина предстоящей погоды.Полнота информации означает, что онасодержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения состав(набор) показателей. Как неполная, т. е. недостаточная для принятия правильногорешения, так и избыточная информации снижают эффективность принимаемыхпользователем решений.
Также важно, чтобыполучаемая информация соответствовала данной ситуации. Например, можно получитьполную сводку погоды из достоверного источника, но она окажется ненужной, еслибудет содержать сведения недельной давности. Иными словами, информация должнабыть актуальной, что определяется степеньюсохранения ценности информации для управления в момент ее использования изависит от динамики изменения ее характеристик и интервала времени, прошедшегос момента возникновения данной информации.
Однако достоверная,полная и актуальная информация о погоде на предстоящую неделю может бытьзаписана (или произнесена) в терминах и обозначениях синоптиков, непонятныхбольшинству людей. В этом случае она окажется бесполезной. Значит информациядолжна быть выражена в таком виде, который был бы понятен получателю даннойинформации. В этом заключается следующее свойство информации – доступность, которая обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения ипреобразования.
Получая новую информацию,человек решает, нужна ли она для решения какой-то данной проблемы. Одна и та жеинформация может быть очень важной для одного и быть абсолютно бесполезной длядругого. От того, какие задачи можно решить с помощью данной информации,зависит ее ценность. В зависимости от того, какой объем поступивших данных былпереработан, определяется содержательность информации,которая отражает семантическую емкость.
Сувеличением содержательности информации растет семантическая пропускнаяспособность информационной системы, так как для получения одних и тех же сведенийтребуется преобразовать меньший объем данных. Одинаково нежелательны как преждевременная подачаинформации (когда она еще не может быть усвоена), так и ее задержка. Толькосвоевременно полученная информация может принести ожидаемую пользу. Своевременность информации означает еепоступление в соответствии со временем решения поставленной задачи.
Защищенность – свойство,характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения.
1.5 Кодирование сигналов
1.5.1 Основные виды испособы обработки
и кодирования данных
Этап подготовки информации связан спроцессом формирования структуры информационного потока. Такая структура должнаобеспечивать возможность передачи информации от объекта к субъекту (отисточника к потребителю) по каналам коммуникаций посредством определенныхсигналов или знаков, а также возможность однозначного понимания этих сигналов иобеспечения их записи на соответствующие носители информации. Для этогоосуществляется кодирование сигналов.
Кодирование информации –одна из базовых тем курса теоретических основ информатики, отражающаяфундаментальную необходимость представления информации в какой-либо форме. Приэтом слово «кодирование» понимается не в узком смысле – как способсделать сообщение непонятным для всех, кто не владеет ключом кода, а в широком– как представление информации в виде сообщения на любом языке. В канале связисообщение, составленное из символов (букв) одного алфавита, можетпреобразоваться в сообщение из символов (букв) другого алфавита.
Код – правило (алгоритм),сопоставляющее каждое конкретное сообщение (информацию) со строго определеннойкомбинацией различных символов (или соответствующих им сигналов).
Кодирование – процесспреобразования сообщения (информации) в комбинацию различных символов илисоответствующих им сигналов, осуществляющийся в момент поступления сообщения отисточника в канал связи.
Кодовое слово –последовательность символов, которая в процессе кодирования присваиваетсякаждому из множеств передаваемых сообщений.
Декодирование – процессвосстановления содержания сообщения по данному коду.
Необходимым условиемдекодирования является взаимно однозначное соответствие кодовых слов вовторичном алфавите кодируемым символам первичного алфавита.
Устройство,обеспечивающее кодирование, называют кодировщиком.
Система кодирования –совокупность правил кодового обозначения объектов – применяется для заменыназвания объекта на условное обозначение (код) в целях обеспечения удобной иболее эффективной обработки информации, т. е. кодирование – это отображениеинформации с помощью некоторого языка. Любой язык состоит из алфавита,включающего в себя буквы, цифры и другие символы, и правил составления слов ифраз (синтаксических правил).
Первичный алфавит –символы, при помощи которых записано передаваемое сообщении; вторичный –символы, при помощи которых сообщение трансформируется в код.
Код характеризуетсядлиной (числом позиций в коде) и структурой (порядком расположения символов,используемых для обозначения классификационного признака).
Неравномерные(некомплектные) коды – это коды, с помощью которых сообщения кодируютсякомбинациями с неравномерным количеством символов; равномерные (комплектные) –коды, с помощью которых сообщения представлены комбинациями с равнымколичеством символов.
5) Дляхранения в ЭВМ информация кодируется. При выборе языка создателируководствовались следующими соображениями:
– буквыалфавита должны надежно распознаваться (нельзя допустить, чтобы одна буква былапринята за другую);
– алфавитдолжен быть как можно проще, т. е. содержать поменьше букв;
– синтаксисязыка (правила построения слов и фраз) должен быть строгим, однозначным, недопускающим неопределенности.
6) Такимсвойством обладают математические теории, в них все строго определено.
7) 1.5.2Кодирование текста
Не возникает никакихпроблем при кодировании информации, представимой с помощью ограниченного наборасимволов – алфавита. Достаточно пронумеровать все знаки этого алфавита и затемзаписывать в память компьютера и обрабатывать соответствующие номера. Самымпростым алфавитом является тот, в котором всего две буквы, два символа.
При кодировании текстадля каждого его символа отводится обычно 1 байт. Именно по этой причине ячейкапамяти в компьютере сделана так, что может хранить сразу восемь бит (1 байт),т. е. целый символ. Это позволяет использовать 28 = 256 различныхсимволов, так как в ЭВМ надо кодировать все буквы: английские – 52 буквы(прописные и строчные), русские – 66 букв, 10 цифр, знаки препинания,арифметических операций и т. п.:Разрядность Пример Количество 1
2 = 21 2 00
4 = 22 3 000
8 = 23 4 0000
16 = 24
8)
9) Хорошовидно, что если у числа разрядность равна n, то количество n-разрядных чиселравно 2n:
10) Разрядность Количество чисел 5 25 = 32 6 26 = 62 7 27 = 128 8 28 = 256 9 29 = 512 10 210 = 1024
11)
12) итак далее.
13) Чтобызакодировать порядка 256 букв и символов, требуется использовать 8-разрядныечисла.
Соответствие междусимволом и его кодом может быть выбрано совершенно произвольно. Однако напрактике необходимо иметь возможность прочесть на одном компьютере текст,созданный на другом, поэтому таблицы кодировок стараются стандартизовать.Практически все использующиеся сейчас таблицы основаны на «американскомстандартном коде обмена информацией» ASCII. Он определяет значения длянижней половины кодовой таблицы – первых 127 кодов (32 управляющих кода,основные знаки препинания и арифметические символы, цифры и латинские буквы). Врезультате, эти символы отображаются верно, какая бы кодировка не использоваласьна конкретном компьютере. Хуже обстоит дело с национальными символами итипографскими знаками препинания. А особенно не повезло языкам, использующимкириллицу (русскому, украинскому, белорусскому, болгарскому и т. д.).
Например, для русскогоязыка сейчас широко используются пять таблиц кодировок:
– CP866(альтернативная DOS) – на PC-совместимых компьютерах при работе с операционнымисистемами DOS и OS/2, а также в любительской международной сети Фидо (Fidonet);
– CP1251(Windows-кодировка) – на PC-совместимых компью-терах при работе под Windows 3.1и Windows 95;
– KOI-8r – самаястарая из использующихся до сих пор кодировок. Применяется на компьютерах,работающих под UNIX, является фактическим стандартом для русских текстов в сетиInternet;
– MacintoshCyrillic – предназначена для работы со всеми кириллическими языками наМакинтошах.
– ISO-8859.Эта кодировка задумывалась как международный стандарт для кириллицы, однако натерритории России практически не применяется.
14) Сейчас,когда объем памяти компьютеров чрезвычайно вырос, уже нет необходимости оченьсильно «экономить» при кодировании текста. Можно позволить себероскошь «тратить» для хранения текста вдвое больше памяти (выделяядля каждого символа не 1, а 2 байт). При этом появляется возможность разместитьв кодовой таблице – каждый на своем месте – не только буквы европейскихалфавитов (латинского, кириллицы, греческого), но и буквы арабского,грузинского и многих других языков и даже большую часть японских и китайскихиероглифов, поскольку два байта могут хранить число от 0 до 65 535. Двухбайтнаямеждународная кодировка Unicode, разработанная несколько лет назад, теперьначинает внедряться на практике. В компьютере все составные части соединяютсямежду собой с помощью шины (магистрали), т. е. пучка проводов.
15) Теперьнам должно стать понятно, почему шина содержит 8, 16 или 32 провода. Если вшине 8 проводов, то по ней можно передать одновременно 8 бит, т. е. 1 байт (1символ) информации. Такой компьютер называется восьмиразрядным, (первые персональныекомпьютеры IBM).
16) Еслив шине 16 проводов, то по ней можно передать одновременно 2 байт информации;если 32 провода – 4 байт, если 64 провода – 8 байт.
17)
18) 1.5.3.Два способа кодирования изображения
Изображение на экранекомпьютера (или при печати с по-мощью принтера) составляется из маленьких точек– пикселов. Их так много, и они настолько малы, что человеческий глазвоспринимает картинку как непрерывную. Следовательно, качество изображениябудет тем выше, чем плотнее расположены пиксели (т. е. чем больше разрешениеустройства вывода) и точнее закодирован цвет каждого из них.
В простейшем случаекаждый пиксел может быть или черным, или белым. Значит, для его кодированиядостаточно одного бита. Однако при этом полутона приходится имитировать,чередуя черные и белые пиксели (заметим, что примерно так формируют полутоновоеизображение на принтерах и при типографской печати). Чтобы получить реальныеполутона, для хранения каждого пикселя нужно отводить большее количестворазрядов. В этом случае черный цвет по-прежнему будет представлен нулем, абелый – максимально возможным числом. Например, при восьмибитном кодированииполучится 256 разных значений яркости – 256 полутонов.
Сложнее обстоит дело сцветными изображениями, так как здесь нужно закодировать не только яркость, нои оттенок пикселя. Изображение на мониторе формируется путем сложения вразличных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Значитпросто нам нужно хранить информацию о яркости каждой из этих составляющих.
Для получения наивысшейточности цветопередачи достаточно иметь по 256 значений для каждого из основныхцветов (вместе это дает 2563 – более 16 млн. оттенков). Во многихслучаях можно обойтись несколько меньшей точностью цветопередачи. Еслииспользовать для представления каждой составляющей по 5 бит (тогда для храненияданных пикселя будет нужно не 3, а 2 байт), удастся закодировать 32 768оттенков.
На практике встречаются(и нередко) ситуации, когда гораздо важнее не идеальная точность, а минимальныйразмер файла: бывают изображения, где изначально используется небольшоеколичество цветов. В этих случаях поступают так: собирают все нужные оттенки втаблицу и нумеруют, после чего хранят уже не полный код цвета каждого пикселя,а номера (индексы) цветов в таблице. Чаще всего используют 256-цветные таблицы.В разных компьютерах могут быть приняты разные стандартные таблицы цветов,поэтому не исключено, что открыв полученный от кого-нибудь графический файл,можно увидеть совершенно немыслимую картинку.
При печати на бумагеиспользуется несколько иная цветовая модель: если монитор испускает свет, тооттенок получается в результате сложения цветов, а краски поглощают свет –цвета вычитаются. Поэтому в качестве основных используют голубую, сиреневую ижелтую краски. Кроме того, из-за неидеальности красителей к ним обычнодобавляют четвертую краску – черную. Для хранения информации о каждой краскечаще всего используют 1 байт.
Растровые изображенияочень хорошо передают реальные образы. Они замечательно подходят дляфотографий, картин и в случаях, когда требуется максимальная«естественность». Такие изображения легко выводить на монитор илипринтер, поскольку эти устройства тоже основаны на растровом принципе. Однакоесть у них и ряд недостатков. Растровое изображение высокого качества (свысоким разрешением и большой глубиной цвета) может занимать десятки, и дажесотни мегабайт памяти. Для их обработки нужны мощные компьютеры, но и онинередко «задумываются» на десятки минут. Любое изменение размеровнеизбежно приводит к ухудшению качества: при увеличении пикселы не могутпоявиться «из ничего», при уменьшении – часть пикселов будет простовыброшена.
Есть другой способпредставления изображений – объектная (векторная) графика. В этом случае впамяти хранится не сам рисунок, а правила его построения, т. е., например, невсе пикселы круга, а команда «построить круг радиусом 30 с центром в точкес координатами (50, 135) и закрасить его красным цветом». Быстродействиясовременных компьютеров вполне достаточно, чтобы перерисовка происходила почтимгновенно.
На первый взгляд, всестановится гораздо более сложным. Зачем же это нужно? Во-первых, и это самоеглавное, векторное изображение можно как угодно масштабировать, выводить наустройства, имеющие любое разрешение, – и всегда будет получаться результат снаивысшим для данного устройства качеством, ведь картинка каждый раз«рисуется» заново, используя столько пикселов, сколько возможно.
Во-вторых, в векторномизображении все части (так называемые «примитивы») могут быть измененынезависимо друг от друга: любой из них можно увеличить, повернуть,деформировать, перекрасить, даже стереть, но остальных объектов это никоимобразом не коснется.
В-третьих, даже оченьсложные векторные рисунки, содержащие тысячи объектов, редко занимают болеенескольких сотен килобайт, т. е. в десятки, сотни, а то и тысячи раз меньшеаналогичного растрового.
Но почему, если все такхорошо, векторная графика не вытеснила растровую? Сам принцип ее формированияпредполагает использование объектов с исключительно ровными четкими границами,а это сразу выдает их искусственность, поэтому область применения векторнойграфики довольно ограничена – это чертежи, схемы, стилизованные рисунки,эмблемы и другие подобные изображения.
1.5 Кодированиезвука
Если преобразовать звук вэлектрический сигнал, например с помощью микрофона, можно увидеть плавноизменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такойаналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательностьдвоичных чисел. Если измерять напряжение через равные промежутки времени изаписывать полученные значения в память компьютера, то этот процесс называетсядискретизацией (оцифровкой), а устройство, выполняющее его, – аналого-цифровымпреобразователем (АЦП).
Чтобы воспроизвестизакодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование, длячего служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладитьполучившийся ступенчатый сигнал.
Чем выше частотадискретизации (количество отсчетов за секунду) и больше разрядов отводится длякаждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Размер звукового файлаувеличивается, поэтому в зависимости от характера звука, требований,предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторыекомпромиссные значения. Например, при записи на компакт-диски используются16-битные отсчеты при частоте дискретизации 44 032 Гц. При работе только сречевыми сигналами достаточно 8-битных отсчетов при частоте 8 кГц.
Описанный способкодирования звуковой информации универсален, он позволяет представить любойзвук, преобразовывать его самыми разными способами. Бывают случаи, когдавыгодней действовать по-иному. Человек издавна использует довольно компактныйспособ представления музыки – нотную запись. Чтобы перевести символьнуюинформацию в понятную компьютеру форму, достаточно иметь таблицу соответствийсимволов этого языка их двоичным кодам.
В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт,определивший такую систему кодов, – MIDI.
Конечно, такая системакодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только дляинструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайнокомпактная запись, естественность для музыканта (практически любойMIDI–редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость заменыинструментов, изменения темпа и тональности мелодии. Коме того, качествозвучания зависит от возможностей синтезатора или звуковой платы компьютера, спомощью которых производится запись.
Заметим, что существуют идругие компьютерные форматы записи музыки, основанные на подобном же принципе.
1.5.5 Цифровоекодирование
При цифровом кодированиидискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.
В потенциальных кодах дляпредставления логических единиц и нулей используется только значениепотенциала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание непринимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либоимпульсами определенной полярности, либо частью импульса – перепадом потенциалаопределенного направления.
При использованиипрямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбратьтакой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:
– имел при одной итой же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
– обеспечивалсинхронизацию между передатчиком и приемником;
– обладалспособностью распознавать ошибки;
– обладал низкойстоимостью реализации.
Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линиидобиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектрусигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, т. е.наличия постоянного тока между передатчиком и приемником.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобыприемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новуюинформацию с линии связи, поэтому в сетях применяются самосинхронизирующиесякоды, сигналы которых несут для передатчика указание о том, в какой моментвремени нужно осуществлять распознавание очередного бита или нескольких бит,если код ориентирован более чем на два состояния сигнала. Любой резкий перепадсигнала, так называемый фронт, может служить хорошим указанием длясинхронизации приемника с передатчиком.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являютсявзаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярныхметодов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своиминедостатками по сравнению с другими.
1.5.5.1 Метод биполярного кодирования с альтернативной
инверсией (AMI)
В этом методе используются три уровня потенциала:отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуляиспользуется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либоположительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новойединицы противоположен потенциалу предыдущей. В AMI используются три уровня сигнала на линии.Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика примерно на 3 дБдля обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общимнедостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами,которые различают только два состояния.
1.5.5.2 Потенциальный код с инверсией при единице
Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаченуля он передает потенциал, установленный в предыдущем такте, а при передачеединицы потенциал инвертируется на противоположный. Это называетсяпотенциальным кодом с инверсией при единице. Для улучшения потенциальных кодовиспользуют два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный кодизбыточных бит, содержащих логические единицы; второй – на предварительном«перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы установитьпримерно одинаковую вероятность появления единиц и нулей на линии. Устройство,или блоки, выполняющие «перемешивание», называются скремблерами (scramble – свалка, беспорядочная сборка).
1.5.5.3 Биполярный импульсный код
Кроме потенциальных в сетях используются и импульсные кодыкогда, данные представлены полным импульсом или его частью – фронтом.Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, вкотором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Онобладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющаяможет присутствовать. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальныхкодов. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используетсяредко.
1.5.5 Манчестерский код
В локальных сетях до недавнего времени самым распространеннымметодом кодирования был так называемый манчестерский код. Он применяется втехнологиях Ethernet и Token Ring. Здесь для кодирования единиц и нулей используетсяперепад потенциала, т. е. фронт импульса. Информация кодируется перепадамипотенциала, происходящими в середине каждого такта.
Логическое кодирование используется для улучшенияпотенциальных кодов типа AMI идолжно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянномупотенциалу, вкраплениями единиц. Для логического кодирования характерны дваметода: избыточные коды и скремблирование.
Избыточные коды основаны на разбиении исходнойпоследовательности бит на порции, часто называемые символами. Затем каждыйисходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чемисходный.
Скремблирование – это перемешивание данных скремблером передпередачей их в линию с помощью потенциального кода. Методы скремблирования заключаютсяв побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода иполученных в предыдущих тактах бит результирующего кода.
1.5.6 Обработкааналоговой и цифровой информации
Формы представленияинформации в современном мире весьма многообразны. Ее можно получить самымиразными способами: извлечь, наблюдая за окружающим миром, событиями в жизниобщества; присутствуя в театре, кино; посещая выставки; при чтении книг,журналов; изучении различных документов, чертежей и т. п.
Информация, получаемаяпосредством визуального наблюдения, чтения, является зрительной. Ее можно нетолько получить, но и передать с помощью мимики и жестов, а также книг, газет,картин, чертежей и других различных изображений.
В общении людейприсутствует звуковая информация. К ней относятся: устная речь, музыкальныезвуки и всевозможные восклицания.
Особое внимание следуетуделить письменности – знаковому (буквенному) представлению устной речи, вкотором звукам соответствуют буквы.
С одной стороны, чтениекниг, журналов и других источников, содержащих информацию в письменном виде,относится к зрительной информации; с другой стороны, письменность – этообозначение устной речи, которая относится к звуковой информации. Такимобразом, одну и ту же информацию можно прочитать, т. е. увидеть и услышать.
Следует отметить, чтоустная передача информации намного богаче письменной. В разговоре всегдаприсутствуют различные интонации, выражающие эмоциональное состояниеговорящего. Это придает особую выразительность и несет в себе дополнительнуюинформацию. То же самое можно сказать и о музыкальных произведениях. Аналогичнописьменности ноты являются знаковым представлением музыкальных звуков. Нозаписанное в нотах музыкальное произведение не сравнимо с тем же произведением,исполненным музыкантом.
Обмен информациейпроисходит не только среди людей. Работа машин также невозможна без процессовобработки информации.
В существующих насегодняшний день разнообразных технических устройствах и системах прием,обработка и передача информации осуществляются с помощью сигналов. Сигналыотражают физические характеристики изучаемых объектов и процессов. Кроме этого,информация в виде сигнала может различным образом перерабатываться,сохраняться, уничтожаться и т. п.
На сегодняшний деньразличают несколько видов сигналов: звуковые, которые можно услышать при работемилицейской сирены; световые, передающие информацию от пульта дистанционногоуправления к телевизору. Но наибольшее распространение в современныхтехнических устройствах получили электрические сигналы. Это связано с тем, чтодля них в настоящее время созданы наилучшие технические средства обработки,хранения и передачи.
При передаче информациипосредством электрического сигнала значение информации, заключенной в этомсигнале, выражается в параметрах электрического тока: силе тока и напряжении.При этом информация, переносимая таким сигналом, может быть самойразнообразной.
Существующие втехнических устройствах сигналы делятся на непрерывные (аналоговые) идискретные.
Непрерывность сигнала означаетвозможность его изменения на любую малую величину в любой заданный малыйпромежуток времени (рис. 1.3).
Непрерывный сигнал.Образование аналогового сигнала происходит, например, при получении первичнойинформации с датчиков,
/>Рис.1.3. Непрерывный сигнал
связанных с изучаемымобъектом или внешней средой. Полученный аналоговый сигнал, требует дальнейшейобработки. Это может быть передача, преобразование или сохранение.Продемонстрировать аналоговую обработку сигнала можно, рассматривая процесспреобразования сигнала, идущего от микрофона к динамику. Чтобы динамик могвоспроизвести звуковой сигнал, поступивший на вход микрофона, необходимо, чтобыпроизошел процесс обработки поступившего сигнала. Микрофон преобразует звуковойсигнал в слабый электрический, выходной характеристикой которого являетсянапряжение. Микрофон и динамик применяются в случае, когда стоит проблемаусиления звукового сигнала. Для этого производится обработка – целенаправленноеусиление аналогового электрического сигнала до требуемой величины. Получивтаким образом необходимый сигнал, динамик его преобразовывает в звуковой, ноуже более сильный, чем поступивший на вход микрофона.
Примером аналоговойпередачи сигнала является передача речевой информации по телефонным проводам.
Аналоговое сохранениеинформации является также довольно распространенным явлением, например, записьзвукового сигнала на магнитофонную ленту.
До 70-х гг. ХХ в.технические устройства работали только с аналоговыми сигналами, каковымиявлялись и способы их обработки. Это означало, что обработка сигналапроводилась на непрерывном интервале времени (в каждый малый промежутоквремени). В результате получался также аналоговый сигнал (рис. 1.4).
/>
Рис. 1.4. Аналоговоепреобразование сигнала
С появлением в 70-х гг.ХХ в. микропроцессора (основного элемента ЭВМ), а также микросхем с высокойстепенью интеграции стали получать распространение дискретные и цифровыесигналы, а вместе с ними и соответствующие способы их обработки.
Дискретность сигналаозначает возможность его измерения только на конечном отрезке, в строгоопределенные моменты времени. Следовательно, сам сигнал представляет собой ужене непрерывную функцию, а последовательность дискретных значений. На рисунке 1.5 показаны дискретные значения функции, полученные в дискретные моментывремени, имеющие лишь только приближенные числовые значения. В зависимости отрешаемой задачи эти значения могут быть зафиксированы только в данных временныхточках, но могут сохранять свое значение в промежутке от данной до следующейточки измерения.
/>
Рис. 1.5. Дискретныйсигнал
В случае когда наличие приближенныхзначений не удовлетворяет поставленной задаче, производят округление имеющихсязначений с заданной степенью точности. Вместо приближенных значений получаютсяопределенные конечные числовые значения (рис. 1.6). Дискретный сигнал,значения которого выражены определенными конечными числами, называетсяцифровым.
Аналогично аналоговымустройствам обработки аналоговых сигналов существуют также специальныетехнические устройства для обработки, хранения, передачи цифровых сигналов.Бурное развитие вычислительной техники, средств телекоммуникациинепосредственно связано с обработкой цифровых сигналов, поскольку цифроваяcвязь имеет множество преимуществ по сравнению с аналоговой.
/>
Рис. 1.6. Цифровой сигнал
Цифровой способ храненияинформации нашел широкое применение при записи различного рода информации нааудио- и видео-компакт-дисках (CD-ROM).
Цифровая передача данныхиспользуется при обмене информацией между компьютерами с помощью модема или приработе с факсимильными средствами связи.
Довольно сложнойоказывается цифровая обработка сигнала, например, цифровыми фильтрами,основанными на алгоритмах преобразования Фурье.
Несмотря на то чтоцифровая обработка информации приобретает в настоящее время все большеераспространение, отказаться от аналоговой невозможно: еще остается достаточномного систем и устройств, в которых информация может передаваться только в видеаналогового сигнала. В связи с этим решаются различные вопросы, ищутся способыпреобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот.
Очевидно, припреобразовании исходного аналогового сигнала в цифровой появляется определеннаяпогрешность, что является недостатком. Но, увеличивая число дискретов по осивремени и функции сигнала, можно достичь уменьшения погрешности. Использованиесовременных высокоскоростных технических средств обработки и хранения цифровыхсигналов позволяет значительно упростить и удешевить процесс преобразованияаналогового сигнала в цифровой, а также устранить недостатки, присущиеаналоговой передаче сигнала (например влияние шумов) и получить ряд важныхпреимуществ.
В результате даже такиеобласти телекоммуникации, как телефонная связь и радиовещание, где традиционнымявлялся аналоговый сигнал, переходят на цифровую форму обработки и передачисигналов. Этот процесс получил наибольшее развитие с появлением глобальныхкомпьютерных сетей. Распространенным средством осуществления связи междукомпьютерами является телефонная сеть. Исходное сообщение, поступающее втелефонную линию, преобразуется в аналоговый сигнал. После этого специальныетехнические средства производят последующее преобразование этого аналоговогосигнала в цифровой, и уже в цифровом виде он обрабатывается, хранится,передается. Только достигнув получателя, цифровой сигнал преобразуется обратнов аналоговый и воспринимается абонентом в привычном ему виде.
Таким образом,существующие виды информации: зрительная и звуковая, с помощью которых общаютсялюди, а также информация в виде сигналов, непосредственно связаны между собой.Преобразования информации из одного вида в другой показывают, насколько важен инепрерывен процесс обмена информацией. Применение технических устройств делаетэтот процесс неотъемлемой частью жизни человеческого общества.
1.5.7 Модуляция сигналов
Вследствие сильногозатухания электромагнитной волны для передачи сигнала на расстояния приходитсявызывать достаточно мощные электромагнитные колебания среды. Следовательно,перед передачей сигнал надо в достаточной мере усилить, произвести некоторыепреобразования, чтобы получатель смог выделить (детектировать) полезный сигнализ общего фона электромагнитных колебаний среды.Модуляция сигнала – процесс измененияодного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.Модуляция осуществляется для передачиданных с помощью электромагнитного излучения. Обычно модификации подвергаетсясинусоидальный сигнал (несущая). Различают амплитудную, частотную, фазовую,импульсно-кодовую, спектральную, поляризационную модуляции.
В радиосвязи чаще всегоиспользуют амплитудную (АМ, AM –amplitudemodulation), частотную (ЧМ, FM – frequency modulation) и фазовую (ФМ, РМ – phase modulation)модуляции. При передаче сообщения, представленного дискретными символами,вместо термина «модуляция» применяется термин«манипуляция», а само колебание называется манипулированным.Несущая – синусоидальный сигналопределенной частоты с низким коэффициентом затухания для данной среды передачи,модулируемый полезным сигналом.
Амплитуднаямодуляция – это модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются поамплитуде в соответствии с модулирующими колебаниями более низкой частоты (рис.1.7).
Врадиовещании в длинно- и средневолновом диапазонах радиоволн широкоиспользуется амплитудная модуляция сигнала. На вход модулятора подаются опорныйи передаваемый (модулирующий) сигналы, а на выходе получают смодулированный,положительная огибающая которого и есть исходный сигнал. Для корректного преобразованиянеобходимо, чтобы несущая частота была в два раза выше, чем верхняя границаполосы модулирующего сигнала. Спектр амплитудно-модулированного колебаниясодержит составляющую несущей частоты fн и две боковые полосы (верхнюю инижнюю), имеющие спектр, подобный спектру модулирующего колебания.
Таким образом, спектрмодулированного сигнала симметричен, и для рационального использованияпередающего оборудования одну из боковых полос спектра передаваемого сигналаподавляют. При использовании разных частот опорного сигнала можно одновременнопередавать несколько независимых сигналов, только необходимо соблюсти условиенепересечения полос смодулированных сигналов. Данный способ модуляции довольнопрост в реализации, но менее устойчив к помехам, чем другие методы,рассматриваемые ниже. Помехонеустойчивость объясняется относительно узкойполосой модулированного сигнала (всего в два раза шире, чем у исходного). Темне менее это обстоятельство позволяет использовать амплитудную модуляцию внизко- и среднечастотных диапазонах электромагнитного спектра. Амплитуднаяманипуляция используется в низкоскоростных информационных системах (скоростьменее 600 бит/с).
/>
Рис.1.7. Амплитудная модуляция
Частотная модуляция – этомодуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии смодулирующим колебанием.
При частотной модуляциимодулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту(рис. 1.8), т. е. если уровень сигнала увеличивается, то частота растет инаоборот. Из-за этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире,и соответственно, хорошая помехоустойчивость, но необходимо использоватьвысокочастотные диапазоны вещания. Частотная манипуляция находит применение вмодемах, обеспечивающих скорость передачи 1200–1800 бит/с./>
Рис. 1.8. ЧастотнаямодуляцияМодем – внешнее или внутреннееустройство, подключаемое к компьютеру для передачи и приема сигналов потелекоммуникационным (телефонным) линиям. Для трансляции сигнала по аналоговойлинии связи модем преобразует цифровой сигнал, полученный от компьютера, ваналоговую форму. При приеме сигнала модем выполняет обратное преобразование.
Возможны два видачастотной манипуляции: с разрывом фазы и без разрыва. В настоящее время навысоких скоростях применяется только последний вид.С увеличением числа используемых частотпроисходит переход к m-ичнойчастотной манипуляции, применение которой позволит повысить скорость передачисимволов (бит/с).Фазовая модуляция (ФМ) – это модуляция, вкоторой при изменении от «0» к «1» и от «1» к«0» фаза синусоидальной несущей изменяется на 180º.При фазовой модуляции модулирующий сигналмодулирует фазу опорного сигнала. При модулировании цифровым (дискретным)сигналом получается сигнал с очень широким спектром, так как фаза резкоповорачивается (двоичный сигнал – на 180º) (рис.1.9), поэтому ее с успехомприменяют для обеспечения помехозащищенной цифровой связи в высокоскоростныхмодемах. />Рис. 1.9. Фазовая модуляцияВозможны два вида фазовой манипуляции:абсолютная и относительная. Абсолютная фазовая манипуляция – это такой видманипуляции несущей, при котором ее фаза изменяется на π (180°) всякий разпри изменении знака (полярности) посылки первичного сигнала. Относительная фазовая манипуляция – это такой вид манипуляции несущей, при котором ее фазаизменяется на π (180°) всякий раз при изменении знака (полярности) посылкипервичного сигнала «на минус» (0). Название «относительная»говорит о том, что фаза данной n-йпосылки формируется относительно фазы предыдущей (n- 1)-й посылки. Импульсно-кодовая модуляция (PCM – PulseCode Modu-lation) – это модуляция, в которой аналоговый сигнал кодируетсясериями импульсов, она используется в устройствах кодирования-декодиро-вания, атакже в телефонных сетях.
Для передачи аналоговогосигнала по цифровым линиям связи производят дискретизацию с определеннойчастотой, определенной из расчета не менее чем в 2 раза выше верхней границыполосы аналогового сигнала (по теореме Котельникова). В каждый моментквантования вычисляется и кодируется в цифровое значение уровень аналоговогосигнала. Качество модуляции напрямую зависит от частоты дискретизации иразрядности кодирования каждого уровня. В цифровой телефонии используют8-битное кодирование (256 уровней, 11 кГц), в CD-Audio используют 16-битноекодирование (65 536 уровней сигнала, 44,1 кГц), а в DVD-Audio, например,24бит/192 кГц.В телекоммуникационных сетях несколькоПЭВМ объединяются в модулированную сеть.Модулированная сеть – это локальнаявычислительная сеть, в которой устройства соединены коаксиальным илиоптоволоконным кабелем; передача данных осуществляется с помощью модуляциианалоговых сигналов; вся полоса пропускания среды передачи разбивается нанесколько интервалов (полос), каждый из которых служит каналом связи.Модулированные сети могут одновременнопередавать телепрограммы, речь, двоичные данные и т. п.
1.6 Структура изакономерности протекания
информационных процессов
1.6.1 Информационнаясистема
19) Винформатике понятие «система» чаще используют относительно наборатехнических средств и программ. Системой называют также аппаратную часть компьютера.Дополнение понятия «система» словом «информационная»отображает цель ее создания и функционирования.
Информационная система –взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая длясохранения, обработки и выдачи информации с целью решения конкретной задачи.
Современное пониманиеинформационной системы предусматривает использование компьютера как основноготехнического средства обработки информации. Компьютеры, оснащенныеспециализированными программными средствами, являются технической базой иинструментом информационной системы.
В работе информационнойсистемы можно выделить следующие этапы:
1. Зарождение данных – формированиепервичных сообщений, фиксирующих результаты определенных операций, свойстваобъектов и субъектов управления, параметры процессов, содержание нормативных июридических актов и т. п.
2. Накопление и систематизация данных –размещение их в порядке, обеспечивающем быстрый поиск и отбор нужных сведений,методическое обновление данных, защиту от искажений, потерь, деформированияцелостности и др.
3. Обработка данных – процессы, вследствии которых, на основе прежде накопленных данных формируются новые видыданных: обобщающие, аналитические, рекомендательные, прогнозные. Производныеданные тоже можно обрабатывать, получая более обобщенные сведения.
4. Отображение данных – представление ихв форме, пригодной для восприятия человеком, прежде всего, вывод на печать, т.е. создание документов на так называемых твердых (бумажных) носителях. Широкоиспользуют построение графических иллюстративных материалов (графиков,диаграмм) и формирование звуковых сигналов.
Сообщения, формируемые напервом этапе, могут быть обычным бумажным документом, сообщением в«машинном виде» или тем и другим одновременно. В современных информационныхсистемах сообщения массового характера большей частью имеют «машинныйвид». Аппаратура, используемая при этом, имеет название «средстварегистрации первичной информации».
Потребности второго итретьего этапов удовлетворяются в современных информационных системах восновном средствами вычислительной техники. Средства, которые обеспечиваютдоступность информации для человека, т. е. средства отображения данных,являются компонентами вычислительной техники.
Подавляющее большинствоинформационных систем работает в режиме диалога с пользователем. Типичныепрограммные компоненты информационных систем включают диалоговую подсистемуввода-вывода, подсистему, реализующую логику диалога, подсистему прикладнойлогики обработки данных, подсистему логики управления данными. Для сетевыхинформационных систем важным элементом является коммуникационный сервис,обеспечивающий взаимодействие узлов сети при общем решении задачи. Значительнаячасть функциональных возможностей информационных систем закладывается в системномпрограммном обеспечении: операционных системах, системных библиотеках иконструкциях инструментальных средств разработки. Кроме программнойсоставляющей информационных систем важную роль играет информационнаясоставляющая, которая задает структуру, атрибутику и типы данных, а также тесносвязана с логикой управления данными.
В информационной системеосуществляются информационные процессы, определяющие полный цикл обращенияинформации (регистрация, формирование, обработка, передача, представление,поиск, выдача информации по запросам пользователей, хранение, уничтожение).
Всефакторы, воздействующие на информационные системы и информационные процессы, втечение всего жизненного цикла от проектирования до использования входят в такназываемую информационную среду. Информационная среда – это весь набор условийдля технологической переработки и эффективного использования знаний в видеинформационного ресурса. К ней относятся аппаратные средства, программноеобеспечение, телекоммуникации, уровень подготовки кадров (специалистов ипользователей), формы стимулирования, контроля, методы и формы управления,документопотоки, процедуры, регламенты, юридические нормы и т. д., причем винформационную среду входит не только управляющая подсистема, но и объект.Исходя из понятия информационной среды удобно дать понятие информационногопроцесса.
С информацией можнопроизводить следующие операции:
создавать
передавать
воспринимать
иcпользовать
запоминать
принимать;
копировать
формализовать
распространять
преобразовывать
комбинировать
обрабатывать
делить на части;
упрощать
собирать
хранить
искать
измерять
разрушать
контролировать;
и др.
Все эти процессы,связанные с определенными операциями над информацией, называютсяинформационными процессами.
20) Информационныйпроцесс (ИП) – совокупность последовательных действий, функциональных иинформационных связей, обеспечивающих обмен документами и информацией в системесоциальной коммуникации с целью доведения их до потребителей.
К процессам социальнойкоммуникации относятся:
– непосредственноеобщение между учеными и специалистами;
– общение междуучреждениями и организациями посредством переписки, рецензирования,консультирования и др.;
– издательскиепроцессы при подготовке рукописей к изданию;
– распространение ипропаганда публикаций, публичные выступления;
– научно-информационнаяи библиотечно-библиографическая деятельность;
– управленческаядеятельность специалистов, заключающаяся в подготовке управленческихвоздействий по оптимизации функционирования систем;
– средства массовойинформации.
Рассматриваемая системасоциальной коммуникации представляет собой множество взаимосвязанных компонент(рис. 1.10).
/>
Рис.1.10. Система социальной коммуникации
21) Документально-информационныйпоток включает в себя совокупность документов и информации, отображающихсистему и уровень знаний, закрепленных в документальных источниках.
Эффективностьинформационного процесса, определяемого характеристикамидокументально-информационного потока, информационного массива или базы данных,лингвистических и технических средств, сферы потребителей, оценивается такимиобщими показателями функционирования, как полнота, точность, стоимость,трудоемкость процесса.
В существующих системахинформационного обеспечения управления все этапы информационных процессоввзаимосвязаны и выполняются в едином технологическом цикле. Их основная цель – обеспечениенаибольшей устойчивости, непрерывности, оперативности, точности управления приминимальных затратах ресурсов на единицу обрабатываемой информации.
Основные существенныесвойства, присущие ИП:
– адекватность –способность преобразовывать информацию состояния в командную, на основе которойобъект управления (ОУ) переходит в состояние, соответствующее сложившейсяситуации;
– оптимальность –способность управления осуществлять «продвижение» ОУ в направлениидостижения цели по траектории, лучшей относительно других в смысле принятогокритерия;
– оперативность –способность преобразовывать информацию в соответствии с установленнымиограничениями на время преобразования;
– скрытность –способность сохранять в тайне факт, время и место преобразования информации, еесодержание и принадлежность УО.
Дляудобства управления информационными процессами организуются информационныепотоки. В современных системах для этих целей создаются автоматизированныеинформационные системы (АИС) (рис. 1.11), представляющие системы сбора,хранения, обработки и передачи информации, необходимой для удовлетворенияпотребностей управления.
Элементарнаяинформация – информация о событиях, ситуациях, известная до момента ихсвершения.
Основнаязадача таких систем – обеспечение субъекта управления систематизированной идолжным образом обработанной информацией.
Дляэффективного функционирования системы на всех этапах целесообразно проведениесинтаксического, семантического и прагматического анализа циркулирующихинформационных по-токов.
/>
Рис. 1.11. Автоматизированная информационная система
Синтаксическийанализ устанавливает важнейшие параметры информационных потоков, включаянеобходимые количественные характеристики, для выбора комплекса техническихсредств сбора, регистрации, передачи, обработки, накопления и хранения информации.
Семантическийанализ позволяет изучить информацию с точки зрения смыслового содержания ееотдельных элементов, находить способы языкового соответствия (язык человека,язык ЭВМ) при однозначном распознавании вводимых в систему сообщений.
Прагматическийанализ проводится с целью определения полезности информации, используемой дляуправления, выявления практической значимости сообщений, применяемых длявыработки управляющих воздействий.
1.6.2Процесс сбора информации
Восприятиеинформации – процесс преобразования сведений, поступающих в техническую системуили живой организм из внешнего мира, в форму, пригодную для дальнейшегоиспользования. Благодаря восприятию информации обеспечивается связь системы свнешней средой, в качестве которой могут выступать человек, наблюдаемый объект,явление или процесс и т. д.
Дляразвитых систем восприятия можно выделить несколько этапов переработкипоступающей информации: предварительная обработка для приведения входных данныхк стандартному для такой системы виду, выделение в поступающей информациисемантически и прагматически значимых информационных единиц, распознаваниеобъектов и ситуаций, коррекция внутренней модели мира. Важнейшей проблемойвосприятия информации является интеграция информации, поступающей из различныхисточников и от анализаторов разного типа в пределах одной ситуации.
Сборинформации – это процесс ее получения из внешнего мира и приведения к виду,стандартному для данной информационной системы, с целью обеспечения достаточнойполноты для принятия решения.
Обменинформацией между воспринимающей информацию системой и окружающей средойосуществляется посредством сигналов.
Сигналможно определить как средство перенесения информации в пространстве и времени.В качестве носителя сигнала могут выступать звук, свет, электрический ток,магнитное поле и т. д.
Совокупностьтехнических средств ввода информации в ЭВМ, программ, управляющих всемкомплексом технических средств, обеспечивающих ввод информации с отдельныхустройств ввода (драйверов устройств), – вот что представляет собой современнаяразвитая система сбора информации.
В процессе сборапроисходит комплектование системы информационного обеспечения массивамипервичных и вторичных документированных источников информации.
К первичнымдокументированным источникам информации относятся опубликованные,неопубликованные и непубликуемые документы, содержащие исходную информацию; квторичным – документы, полученные в результате аналитико-синтетическойпереработки одного или нескольких первичных источников, например:информационные издания (библиографические, реферативные, обзорные).
Применительно кинформационным системам, созданным с применением ЭВТ, используется понятие«сбор данных».
Сбор данных – процессидентификации и получения данных от различных источников, группирования их ипредставления в форме, необходимой для ввода в ЭВМ.
Сбор информации связываетсистему информационного обеспечения с внешней средой. Эффективность процессасбора информации (информационного массива) оценивается показателями полноты,точности, оперативности, стоимости, трудоемкости.
Полнота – количественнаямера содержания в массиве пертинентных документов (информации), существующих наданный момент времени с точки зрения всех пользователей системы.
Пертинентность –соответствие содержания документа (информации) информационным потребностямпользователей.
Точность – количественнаямера содержания в информационном массиве (системе) только пертинентныхдокументов (информации). Этот показатель характеризует внутреннее состояниепроцесса сбора, его способность удовлетворять информационные запросы независимоот времени на поиски информации.
Оперативность –способность процесса сбора выполнить задачу в минимально возможное время.
Стоимость – способностьпроцесса сбора минимизировать затраты ресурса на единицу массива информации.
Трудоемкость –способность процесса сбора минимизировать трудозатраты на единицу массиваинформации.
В рамках процесса сбораосуществляется структуризация информации, информационных потребностей объекта(пользователя) и выбор источника информации.
Структуризация информациипредставляет системную классификацию информации по показателям удобства ееиспользования человеком в процессе решения практических задач обработки ихранения с использованием современных средств и методов (гл. 1.4.1).
Решение задачиструктуризации информационных потребностей пользователя связано с формированиеминформационного кадастра, представляющего организованную совокупность всехданных, необходимых и достаточных для информационного обеспечения деятельностисовременного объекта.
Выбор источникаинформации должен осуществляться исходя из следующих требований: полнотыинформационного кадастра достоверности, актуальности, релевантностиинформативности, толерантности, функциональной направленности, легальностипоставляемой, регулярности поступающей информации, минимизации затрат ресурсана поддержание информационного кадастра.
Задача оптимальноговыбора источников информации заключается в выборе из всего имеющегосяпотенциального множества такой совокупности, которая при минимальных расходахсредств и трудозатратах обеспечила бы удовлетворительное регулярное поступлениенеобходимой информации, отвечающей перечисленным выше требованиям.
1.6.3Процесс передачи информации
Информационные потоки наобъекте делятся на входные, внутренние и выходные. В канале телекоммуникацииони могут быть разделены на односторонние и двухсторонние.
Циркуляциейинформационных потоков называется факт регулярного их движения между различнымиобъектами или элементами одного и того же объекта.
Важен процесс передачиинформации, заключающийся в ее транспортировке от места генерации (источника) кместам хранения, обработки или использования (потребителю).
Информация передается ввиде сообщений от некоторого источника информации к ее приемнику посредствомканала связи (информационного канала) между ними. Источник посылаетпередаваемое сообщение, кодируемое в передаваемый сигнал, посылаемый по каналусвязи. В результате в приемнике появляется принимаемый сигнал, которыйдекодируется и становится принимаемым сообщением. Схематично процесс передачиинформации показан на рисунке 1.12.
/>
Рис.1.12. Процесс передачи информации
В таком процессеинформация представляется и передается в форме некоторой последовательностисигналов, символов, знаков. Например, при непосредственном разговоре междулюдьми происходит передача звуковых сигналов – речи, при чтении текста человеквоспринимает буквы – графические символы. Передаваемая последовательностьназывается сообщением. От источника к приемнику сообщение передается черезнекоторую материальную среду (звук – акустические волны в атмосфере,изображение – световые электромагнитные волны).
Если в процессе передачииспользуются технические средства связи, то их называют каналами связи(информационными каналами).
Канал связи –совокупность технических средств (передатчик, линия связи, приемник),обеспечивающих передачу сигналов от источника к получателю сигнала.
Пофизической природе каналы связи делятся:
– намеханические – используются для передачи материальных носителей информации;
– акустические– передают звуковойсигнал;
– оптические– передают световой сигнал;
– электрические– передают электрический сигнал.
Электрическиеканалы связи могут быть проводные и беспроводные (радиоканалы).
Поформе представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговыеи дискретные. По аналоговым каналам передается информация, представленная ввиде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины; по дискретным –в виде дискретных (цифровых, импульсных) сигналов той или иной физическойприроды.
Кканалам связи относят телефон, радио, телевидение.
Передача информации поканалам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение ипотерю информации.
В существующихинформационных системах различных классов в зависимости от видов используемыхносителей информации и средств обработки можно выделить несколько системпередачи, в которых информация распространяется посредством передачи устнойречи при непосредственном общении; бумажных носителей с помощьюфельдъегерско-почтовой связи; машиночитаемых носителей (магнитных карт,перфокарт, перфолент, магнитных дисков и лент) с помощью фельдъегерско-почтовойсвязи; в виде различных электрических сигналов по каналам телекоммуникаций, втом числе автоматизированным каналам связи.
В системах управленияинформация передается как путем переноски (перевозки) информационных документовкурьером (фельдъегерем), так и использования систем автоматизированнойпередачи информации по каналам связи.
Ручная и механическаяперевозка документов – весьма распространенный способ передачи информации. Приминимальных капитальных затратах он полностью обеспечивает достоверностьпередачи информации, предварительно зафиксированной в документах ипроконтролированной непосредственно в пунктах ее регистрации. Однако данныйспособ передачи имеет существенный недостаток – низкую оперативность (скорость)передачи.
Схема передачи информациипосредством фельдъегерско-почтовой связи представлена на рисунке 1.13.
/>/>
Рис. 1.13.Общая схема процесса передачи информации по каналам
фельдъегерско-почтовой связи
Дляоперативной передачи информации используют системы автоматизированной передачиинформации. Американским ученым Клодом Шенноном была предложена схема процесса передачиинформации по техническим каналам связи (рис. 1.14).
Источником информации иее получателем могут быть как человек, так и различные технические устройства(средства связи, ЭВТ и др.).
Спомощью кодера устройства источника (КИ) информация, имеющая любую физическуюприроду (изображение, звук и т. п.), преобразуется в первичный электрическийсигнал b(t). Для непрерывной информации, например речевого сообщения,эта операция сводится к преобразованию звукового давления в пропорциональноизменяющийся электрический ток микрофона, который в каждый момент отсчета(времени) можно представить конечным числом сигналов, соответствующих отдельнымбуквам алфавита источника. В телеграфии последовательность элементов сообщения(букв алфавита) большого объема заменяется (кодируется) символами (буквами)другого алфавита меньшего объема.
/>
Рис. 1.14. Общая схема системы передачи информации по каналам
телекоммуникаций (связи)
Процесс преобразованияинформации в систему символов, обеспечивает:
– простотутехнических средств распознавания элементарных символов сообщения;
– снижениеизбыточности символов, требующихся на букву сообщения;
– минимальное времяпередачи или минимальный объем запоминающих устройств хранения информации;
– простотувыполнения арифметических и логических действий с хранимой информацией.
Вдальнейшем с помощью технического устройства последовательность кодовыхсимволов преобразуется в последовательность электрических сигналов. Связь, прикоторой передача производится в форме непрерывного электрического сигнала,называется аналоговой связью. В настоящее время широко используется цифроваясвязь, когда передаваемая информация кодируется в двоичную форму («0»и «1» – двоичные цифры), а затем декодируется в текст, изображение,звук. Цифровая связь является дискретной.
Рассмотренное кодированиепри отсутствии помех в канале связи дает выигрыш во времени передачи или объемезапоминающего устройства, т. е. повышает эффективность системы. Оно получилоназвание эффективного, или оптимального, кодирования.
Впроцессе передачи сигнала по каналу связи на него оказывают негативноевоздействие различного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящиек потере информации. Такие помехи возникают по техническим причинам: плохоекачество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоковинформации, передаваемой по одним и тем же каналам. В этих случаях применяютсятехнические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Например,использование экранного кабеля вместо «голого» провода; применениеразного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума и пр.
КлодомШенноном была разработана специальная теория кодирования, описывающая методыборьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемыйпо линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то частиинформации при передаче может быть компенсирована.
Однаконельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам иподорожанию связи. В современных системах цифровой связи часто применяетсяследующий прием борьбы с потерей информации при передаче. Все сообщениеразбивается на порции – блоки. Для каждого блока вычисляется контрольная сумма(сумма двоичных цифр), передаваемая вместе с данным блоком. В месте приемазаново вычисляется контрольная сумма принятого блока, и если она не совпадает спервоначальной, то передача данного блока повторяется. Так будет происходить дотех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут. Такоекодирование называется помехоустойчивым.
Выбор кодирующих идекодирующих устройств зависит от статистических свойств источника сообщений,уровня и характера помех в канале связи.
В передатчике (ПРД)первичный электрический сигнал преобразуется во вторичный u(t), пригодный для передачи по соответствующему каналу (линии)связи. Такое преобразование осуществляется с помощью модулятора.
Преобразование сообщенияв сигнал должно быть обратимым. Это позволит по выходному сигналу восстановитьвходной первичный сигнал, т. е. получить всю информацию, содержащуюся впереданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна.
Линия связи – среда,используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику.
В системах электросвязитакими линиями являются кабели, волноводы, в системах радиосвязи — пространства, в которыхраспространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.
При передаче по линиисвязи на сигналы могут накладываться помехи />, в результате чего сигналыискажаются.
Приемное устройство всоставе приемника (ПРМ) и декодирующего устройства информации (ДИ) обрабатываетпринятый сигнал z(t) = s(t) + n(t) и восстанавливает по нему передаваемое сообщение а’,адекватное сообщению источника информации a.
Система связи –совокупность технических средств передачи сообщений от источника к потребителю,включающая передающие (КИ, ПРД) и приемные (ДИ, ПРМ) устройства и линию связи.
По виду передаваемыхсообщений различают следующие системы связи: передачи речи (телефонная), текста(телеграфная), неподвижных изображений (фототелеграфная), изображений(телевизионная), данных, радиовещание, видеотекста, телетекста, конференцсвязи,телеизмерения и телеуправления и др.
По количествупередаваемых сообщений по одной линии связи системы делятся на одноканальные имногоканальные.
Однойиз важных характеристик системы передачи информации является скорость передачиинформации.
Основнымикачественными показателями системы передачи информации являются пропускнаяспособность, достоверность, надежность работы.
Пропускнаяспособность системы передачи информации – наибольшее теоретически достижимоеколичество информации, которое может быть передано по системе за единицувремени. Она обусловливается скоростью преобразования информации в передатчикеи приемнике и допустимой скоростью передачи информации по каналу связи,определяемой физическими свойствами канала связи и сигнала.
Достоверностьпередачи информации – это передача информации без искажения.
Надежностьканала связи – полное и правильное выполнение системой всех своих функций.
Скоростьпередачи информации – это информационный объем сообщения, передаваемого вединицу времени. Единицы измерения скорости информационного потока: бит/с,байт/с и др.
Скоростьпередачи дискретной информации по каналу связи измеряется в бодах. Бод – этоэлемент сигнала, передаваемый в единицу времени (всплеск частоты, переворотфазы).
Попропускной способности каналы связи можно классифицировать на виды:
– низкоскоростные,скорость передачи информации в которых от 50 до 200 Бд; это дискретные (телеграфные)каналы связи как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
– среднескоростные,использующие аналоговые (телефонные) линии связи; скорость передачи в них от300 до 9 600 Бд, а в новых Стандартах Международного совета электросвязи (МСЭ)(ранее Международного консультационного комитета по телеграфии и телефонии –МККТТ) до 33 600 Бд (Стандарт V.34 бис);
– высокоскоростные(широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации выше 36 000 Бд;по этим каналам связи можно передавать и дискретную, и аналоговую информации.
Физическойсредой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных каналах связи(КС) обычно являются группы параллельных, либо скрученных проводов, называемых«витая пара» (скручивание проводов уменьшает влияние внешних помех).
Вширокополосных каналах связи используются коаксиальные и оптоволоконные кабели.К ним относятся и беспроводные радиоканалы связи. Возможности широкополосныхканалов связи огромны, например, по одному радиоканалу для миллиметровых волнможно одновременно организовать несколько тысяч телефонных, несколько тысячвидеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов, при этом скоростьпередачи может составлять несколько миллионов бод. Не меньше возможностей и уволоконно-оптических каналов.
Следуетособо отметить, что телефонный канал связи является более узкополосным, нежелителеграфный, но скорость передачи данных по нему выше ввиду обязательногоналичия специального устройства согласования – модема.
Модемвыполняет следующие функции:
– припередаче преобразование широкополосных импульсов (цифрового кода) в полосныеаналоговые сигналы (амплитудно-, частотно- или фазомодулированные);
– приприеме фильтрацию принятого сигнала от помех и детектирование, т. е. обратноепреобразование узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.
Благодаряфильтрации сигнала повышается помехоустойчивость, что, в свою очередь,позволяет увеличивать пропускную способность системы. Модемы, выпускаемыепромышленностью, различаются:
– конструкцией(автономные и встраиваемые в аппаратуру);
– интерфейсомс КС (контактные и бесконтактные (аудио));
– назначениемдля разных каналов связи и систем (например, для систем передачи данных –модемы, для систем передачи факсов – факс-модемы);
– скоростьюпередачи. Существует стандарт скоростей передачи данных, соответствующийстандарту протоколов (алгоритмов управления) МСЭ для телефонных КС; он включаетскорости (в бодах): 300, 600, 1 200, 2 400, 4 800,12 000, 14 400, 16 800,19200, 28 800, 33 600.
Ранеемодемы выпускались каждый на определенную скорость работы. Современные модемыболее универсальны: некоторые из них (МТ 1932, МТ 2834 и др.) могут работатькак с коммутируемыми, так и с некоммутируемыми КС, поддерживают почти всю шкалуназванных скоростей, имеют режимы модема и факс-модема.
Классификациясистем передачи информации:
1. Передачанедокументированной информации. Телефонная связь – самый распространенный видоперативной административно-управленческой связи. Ее абонентами являются какфизические лица, так и организации. Телефонную связь можно разделить наобщегосударственную и внутриучрежденческую. Виды телефонной связи:радиотелефонная, видеотелефонная, пейджинговая.
2. Передачадокументированной информации. Телеграфная связь предназначена для передачи нарасстояние по электрическим проводным каналам связи алфавитно-цифровойинформации для автоматизированного приема-передачи коротких текстовыхдокументированных сообщений:
1.Телетайпная связь, при которой ввод информации в телетайп может осуществлятьсявручную с клавиатуры и автоматизированно с перфоленты.
2.Дейтефонная связь использует для передачи информации телефонные каналы связи, ав качестве приемопередающей аппаратуры может использоваться как обычнаятелетайпная аппаратура совместно с модемами, так и специальная. Примерныйсостав и назначение аппаратуры абонента дейтефонной связи:
1) телефонный аппарат –первоначальный вызов абонента;
2) фотосчитывающееустройство – автоматическое считывание информации с перфоленты при передаче;
3) перфоратор ленты –регистрация принятой информации на перфоленту;
4) модулятор-демодулятор(модем) – согласование приемопередающей аппаратуры с телефонным каналом связи;
5) устройство защиты отошибок – для обеспечения достоверности передачи информации;
6) устройствоалфавитно-цифровой печати (принтер, телетайп).
Факсимильныйспособ передачи информации заключается в дистанционном копировании документов.Назначение факсимильной связи – передача на расстояние информации в видетекстов, чертежей, рисунков, схем, фотоснимков и т. п.
1.6.4 Обработкаинформации
Наразличных этапах информационного цикла данные преобразовываются из одного видав другой с помощью различных методов. Общая схема процесса обработки информациивыглядит следующим образом (рис. 1.15).
/>
Рис.1.15.Схема процесса обработки информации
Впроцессе обработки информации решается некоторая информационная задача, длякоторой должны быть определены исходная (некоторый набор исходных данных) иитоговая (требуемые результаты) информация. Переход от исходных данных крезультату и есть процесс обработки. Тот объект или субъект, которыйосуществляет обработку, называется исполнителем обработки. Это может бытьчеловек или техническое устройство, в том числе компьютер.
Дляуспешного выполнения обработки информации исполнителю должен быть известенспособ обработки, т. е. последовательность действий, которую нужно выполнить,чтобы достичь нужного результата. Описание такой последовательности действий винформатике принято называть алгоритмом обработки.
Можновыделить два типа обработки информации:
1.Обработка, связанная с получением новой информации, нового содержания знаний. Кней относится решение различных задач путем применения логических рассуждений.
2.Обработка, связанная с изменением формы, но не изменяющая содержания, например, перевод текста с одного языка на другой.
Обработка данных включаетв себя множество разных операций, представляющих собой комплекс совершаемыхтехнологических действий, в результате которых информация преобразуется.Основными операциями являются:
– формализация(приведение данных, поступающих из разных источников, к единой форме);
– фильтрация(устранение лишних данных, которые не нужны для принятия решений);
– сортировка(приведение в порядок данных по заданным признакам с целью удобстваиспользования);
– архивация (сохранение данных в удобной и доступной форме);
– защита (комплексмер, направленных на предотвращение потерь при воспроизведении и модификацииданных);
– преобразование(преобразование данных из одной формы в другую или из одной структуры в другуюили изменение типа носителя).
Обработка информации –это получение одних информационных объектов из других информационных объектовпутем выполнения некоторых алгоритмов.
Обработка является однимиз основных процессов, выполняемых над информацией, и главным средствомувеличения объема и разнообразия информации.
Средства обработкиинформации – всевозможные устройства и системы, созданные человечеством, и впервую очередь компьютер.
Приобработке информации производится структурирование данных. Это определенныйпорядок, определенная организация в хранилище информации: расположение данных валфавитном порядке, группировка по некоторым признакам классификации,использование табличного или графового представления – все это примерыструктурирования. От способа организации информации зависит алгоритм поиска.Если информация структурирована, то поиск осуществляется быстрее.
Живые организмы ирастения обрабатывают информацию с помощью своих органов и систем, компьютеры — путем выполнения некоторыхалгоритмов.
Вычислительныеалгоритмы должны объединяться в вычислительный граф системы обработкиинформации в соответствии с требуемой технологической последовательностьюрешения задач.
По мереразвития вычислительной техники совершенствуются и формы ее использования.Существуют разнообразные способы доступа и общения с ЭВМ. Индивидуальный иколлективный доступ к вычислительным ресурсам зависит от степени ихконцентрации и организационных форм функционирования. Централизованные формыприменения вычислительных средств, которые существовали до массовогоиспользования ПЭВМ, предполагали их сосредоточение в одном месте и организациюинформационно-вычислительных центров индивидуального (ИВЦ) и коллективногопользования (ИВЦКП).
ДеятельностьИВЦ и ИВЦКП характеризовалась обработкой больших объемов информации,использованием нескольких средних и больших ЭВМ, квалифицированным персоналомдля обслуживания техники и разработки программного обеспечения.Централизованное применение вычислительных и других технических средствпозволяло организовать их надежную работу, планомерную загрузку и квалифицированноеобслуживание.
Централизованнаяобработка информации наряду с положительными сторонами имеет и некоторыеотрицательные черты, порожденные прежде всего отрывом конечного пользователя оттехнологического процесса обработки информации.
Децентрализованныеформы использования вычислительных ресурсов начали формироваться со второйполовины 80-х г ХХ в. Децентрализация предусматривает размещение ПЭВМ в местахвозникновения и потребления информации, где создаются автономные пункты ееобработки. К ним относят абонентские пункты и автоматизированные рабочие места.
Автоматизированноерабочее место (АРМ) специалиста включает персональную ЭВМ, работающую автономноили в вычислительной сети, набор программных средств и информационных массивовдля решения функциональных задач.
Технологияэлектронной обработки информации – человеко-машинный процесс исполнениявзаимосвязанных операций, протекающих в установленной последовательности сцелью преобразования исходной (первичной) информации в результатную.Технологические операции разнообразны по сложности, назначению, техникереализации, выполняются на различном оборудовании, многими исполнителями.
Различаютдва основных типа организации технологических процессов: предметный ипооперационный.
Предметныйтип организации технологии предполагает создание параллельно действующихтехнологических линий, специализирующихся на обработке информации и решенииконкретных комплексов задач (учет нагрузки, качества прохождения сигнала и т.п.) и организующих пооперационную обработку данных внутри линии.
Пооперационный(поточный) тип построения технологического процесса предусматриваетпоследовательное преобразование обрабатываемой информации согласно технологии,представленной в виде непрерывной последовательности сменяющих друг друга операций,выполняемых в автоматическом режиме.
Различаютследующие режимы взаимодействия пользователя с ЭВМ: пакетный и интерактивный(запросный, диалоговый). Сами ЭВМ могут функционировать в следующих режимах:одно- и многопрограммном, разделения времени, реального времени,телеобработки.
Организациявычислительного процесса при пакетном режиме строилась без доступа пользователяк ЭВМ. Его функции ограничивались подготовкой исходных данных по комплексуинформационно-взаимосвязанных задач и передачей их в центр обработки, гдеформировался пакет, включающий задание для ЭВМ на обработку, программы,исходные и справочные данные. Он вводился в ЭВМ и реализовывался вавтоматическом режиме, при этом работа ЭВМ могла проходить в одно- илимногопрограммном режиме.
Интерактивныйрежим предусматривает непосредственное взаимодействие пользователя синформационно-вычислительной системой, может носить характер запроса (какправило регламентированного) или диалога с ЭВМ.
Запросныйрежим необходим пользователям для взаимодействия с системой через значительноечисло абонентских терминальных устройств, в том числе удаленных на значительноерасстояние от центра обработки. Такая необходимость обусловлена решениемоперативных задач справочно-информационного характера.
Диалоговыйрежим открывает пользователю возможность непосредственно взаимодействовать свычислительной системой в допустимом для него темпе работы, реализуяповторяющийся цикл выдачи задания, получения и анализа ответа. При этом ЭВМсама может инициировать диалог, сообщая пользователю последовательность шагов(представление меню) для получения искомого результата.
Оберазновидности интерактивного режима (запросный, диалоговый) основываются наработе ЭВМ в режимах реального времени и телеобработки, которые являются дальнейшимразвитием режима разделения времени, поэтому обязательными условиямифункционирования системы в этих режимах являются, во-первых, постоянноехранение в запоминающих устройствах ЭВМ необходимой информации и программ илишь в минимальном объеме поступление исход/>/>/>/>ной информации от абонентов и,во-вторых, наличие у абонентов соответствующих средств связи с ЭВМ дляобращения к ней в любой момент времени.
Рассмотренныетехнологические процессы и режимы работы пользователей в системе«человек–машина» особенно четко проявляются при интегрированнойобработке информации, которая характерна для современного автоматизированногорешения задач в многоуровневых информационных системах.
1.6.5 Хранение информации
Хранениеи накопление информации вызвано ее многократным использованием, применениемпостоянной информации, необходимостью комплектации первичных данных до ихобработки; осуществляется на машинных носителях в виде информационных массивов,где данные располагаются по установленному в процессе проектирования группировочномупризнаку.
Хранение информации – этоее запись во вспомогательные запоминающие устройства на различных носителях дляпоследующего использования.
Хранениеявляется одной из основных операций, осуществляемых над информацией, и главнымспособом обеспечения ее доступности в течение определенного промежутка времени.
Основное содержаниепроцесса хранения и накопления информации состоит в создании, записи,пополнении и поддержании информационных массивов и баз данных в активномсостоянии (рис. 1.16).
В результате реализациитакого алгоритма документ, независимо от формы представления поступивший винформационную систему, подвергается обработке и после этого отправляется вхранилище (базу данных), где помещается на соответствующую «полку» в зависимостиот принятой системы хранения. Результаты обработки передаются в каталог.
Этап хранения информацииможет быть представлен на следующих уровнях: внешнем, концептуальном (логическом), внутреннем, физическом.
/>
Рис. 1.16. Алгоритм процесса подготовки информации кхранению
Внешнийуровень отражает содержательность информации и представляет способы (виды)представления данных пользователю в ходе их хранения.
Концептуальныйуровень определяет порядок организации информационных массивов и способыхранения информации (файлы, массивы, распределенное хранение, сосредоточенное идр.).
Внутреннийуровень представляет организацию хранения информационных массивов в системе ееобработки и определяется разработчиком.
Физическийуровень хранения означает реализацию хранения информации на конкретныхфизических носителях.
Способы организациихранения информации связаны с ее поиском – операцией, предполагающей извлечениехранимой информации.
Хранение и поискинформации являются не только операциями над ней, но и предполагаютиспользование методов осуществления этих операций. Информация запоминается так,чтобы ее можно было отыскать для дальнейшего использования. Возможность поисказакладывается во время организации процесса запоминания. Для этого используютметоды маркирования запоминаемой информации, обеспечивающие поиск и последующийдоступ к ней и применяемые для работы с файлами, графическими базами данных ит. д.
Маркер (mark, marker) – метка на носителе информации, обозначающая началоили конец данных либо их части (блока).
В современных носителяхинформации используются маркеры:
– адреса (адресныймаркер) – код или физическая метка на дорожке диска, указывающие на началоадреса сектора;
– группы – маркер,указывающий начало или конец группы данных;
– дорожки (началаоборота) – отверстия на нижнем диске пакета магнитных дисков, указывающиефизическое начало каждой дорожки пакета.
– конца файла –метка, используемая для указания окончания считывания последней записи файла;
– ленты (ленточныймаркер) – управляющая запись или физическая метка на магнитной ленте,обозначающая признак начала или конца блока данных или файла;
– сегмента –специальная метка, записываемая на магнитной ленте для отделения одногосегмента набора данных от другого.
Хранение информации в ЭВМ связано с процессом ееарифметической обработки и с принципами организации информационных массивов,поиска, обновления, представления информации и др.
Важным этапомавтоматизированного этапа хранения является организация информационныхмассивов.
Массив (от англ. array) – упорядоченное множество данных.
Информационный массив –система хранения информации, включающая представлениеданных и связей между ними, т. е. принципы их организации.
Сучетом этого рассматриваются следующие структуры организации информационныхмассивов: линейная, многомерная.
Всвою очередь, линейная структура данных делится на строки, одномерные массивы, стеки,очереди, деки и др.
Строка– это представление данных в виде элементов, располагающихся по признакунепосредственного следования, т. е. по мере поступления данных в ЭВМ.
Одномерныймассив – это представление данных, отдельные элементы которых имеют индексы, т.е. поставленные им в соответствие целые числа, рассматриваемые как номерэлемента массива.
Индексобеспечивает поиск и идентификацию элементов, а следовательно, и доступ кзаданному элементу, что облегчает его поиск по сравнению с поиском в строке.
Идентификация– процесс отождествления объекта с одним из известных объектов.
Стек– структура данных, учитывающая динамику процесса ввода-вывода информации,использующая линейный принцип организации хранения, реализующий процедуруобслуживания «последним пришел – первым ушел»(первым удаляется последний поступивший элемент).
Очередь– структура организации данных, при которой для обработки информации выбираетсяэлемент, поступивший ранее всех других.
Дека– структура организации данных, одновременно сочетающая рассмотренные виды.
Нелинейныеструктуры хранения данных используют многомерные структуры (массивы) следующихвидов: деревья, графы, сети.
Элементмногомерного массива определяется индексом, состоящим из набора чисел. Формойпредставления прямоугольного массива является матрица, каждое значение которойопределяется индексом требуемого элемента массива. Так, в двухмерном массивеэлементы обозначаются двумя индексами, а в трехмерном –тремя.
Массивыпо своей структуре близки к файлам и отличаются от последних двумя основнымипризнаками:
– каждый элемент массива может быть явно обозначен, и к нему имеется прямойдоступ;
– число элементов массива определяется при его описании.
Организацияхранения данных в многомерном массиве может быть представлена в виде логическихструктур информационных массивов. В этих массивах структуры данных компонуютсяв виде записей, располагающихся различным образом. С учетом этого выделяютследующие основные структуры информационных массивов: последовательную, цепную,ветвящуюся, списковую.
Впоследовательной структуре информационного массива записи располагаютсяпоследовательно, нахождение требуемой записи осуществляется путем просмотравсех предшествующих. Включение новой записи в информационный массив требуетсмещения всех записей, начиная с той, которая добавляется. Обновлениеинформационных массивов при последовательной структуре требует перезаписи всегомассива.
Вцепной структуре информационные массивы располагаются произвольно. Длялогической связи отдельных записей необходима их адресация, т. е. каждаяпредыдущая запись логически связанного информационного массива должна содержатьадрес расположения последующей записи. Если с определенного уровня, значения взаписях повторяются в различных сочетаниях, то в целях экономии памяти возможенпереход от цепной структуры к ветвящейся.
Вветвящейся структуре информационного массива сначала размещается запись,отображающая признак объекта с небольшим числом значений, далее они повторяютсяв записях в различных сочетаниях. Это дает возможность перейти от некоторойосновной записи к другим в зависимости от запроса, не повторяя основную запись.
Чтобыустранить повторяющиеся записи и соответствующие им поля из памяти, их удаляютиз основного массива и объединяют в дополнительный небольшой информационныймассив. В нем записи упорядочиваются по какому-либо признаку без повторений,тогда в основном массиве вместо удаленного информационного поля указываютсяадреса записей, размещенных в дополнительном массиве. Данная структура являетсяудобной при реорганизации информационной базы, поскольку повторяющиеся записилегко могут быть заменены, так как хранятся в дополнительном массиве, основноймассив подвергается при этом незначительным изменениям. Однако эта структуратребует дополнительного объема памяти.
Списковаяструктура информационных массивов характеризуется наличием списка, которыйсодержит набор данных, определяющих логический порядок организацииинформационного массива.
Списоквключает имя и адрес поля данных. В памяти ЭВМ элементы списка физическиразнесены, но связаны друг с другом логически за счет адресных ссылок.
Поледанных в зависимости от характера хранимой информации может быть выраженодвоичным разрядом, словом фиксированной либо переменной длины, а также наборомотдельных слов.
Формализовано списокможет быть реализован в виде таблицы, где имена списка и поля данныхсопоставлены с адресами, выбранными произвольно по мере наличия свободных меств запоминающем устройстве. В случае необходимости повторений какой-либоинформации рекомендуется многократно обращаться по адресу, который можетвходить в несколько списков, т. е. применить механизм многократных адресныхссылок.
Списковаяструктура с механизмом адресных ссылок может быть представлена в виде графадревовидной структуры. В нем каждый элемент списка включает в себя маркерноеполе, поле данных и адресное поле. Маркерное поле предупреждает, имеется лиссылка на другой список или она отсутствует. В зависимости от этого в маркерномполе ставится знак минус или плюс.
Спискитак же могут быть показаны ориентированными графами с полями, в которыхвозможна ссылка вперед и назад. Возникает так называемый симметричный список, ипоявляется возможность движения в структуре данных в разных направлениях.
Рассмотренныесписковые структуры информационных массивов имеют следующие особенности:
– высокую логическую простоту;
– относительно большоеколичество времени доступа, обусловленное адресным обращением к данным, прикотором к каждому элементу списка необходимо иметь ссылку;
– значительное возрастаниеобъема памяти запоминающего устройства по сравнению с последовательнойструктурой организации информационных массивов, обусловленное адреснымобращением к данным.
С учетом рассмотренныхструктур формирования информационных массивов можно представить ряд способоворганизации массивов (рис. 1.17) в запоминающих устройствах ЭВТ.
/>
Рис. 1.17. Способы организации массивов информации взапоминающем устройстве ЭВТ
Нафизическом уровне любые записи информационного поля представляют в видедвоичных символов. Обращение к памяти большого объема требует большой длиныадреса. Если память имеет емкость 2n слов, то для поиска таких слов потребуютсяn-разрядные адреса. В микропроцессорах восьмиразрядные слова дают возможностьобращаться к 256 ячейкам памяти, что оказывается недостаточно для храненияинформации в автоматизированных системах. Если непосредственно обращение клюбой ячейке невозможно, переходят к страничной организации памяти.
Вэтом случае выбирают область памяти емкостью 2n слов и называют страницей,обращение к которой осуществляется командой, содержащей n-разрядное адресное поле.В микропроцессорах обычно используют страницы размером 256 слов.
Принципыадресации, объемы памяти, количественные характеристики зависят отфункционального назначения запоминающих устройств, разделяющимся по уровнямфункциональной иерархии на сверхоперативные, оперативные, постоянные,полупостоянные, внешние, буферные.
Схранением информации связаны следующие понятия: носитель информации (память),внутренняя память, внешняя память, хранилище информации.
Носительинформации – это физическая среда, непосредственно хранящая информацию.Основным носителем информации для человека является его собственнаябиологическая память (мозг), которую можно назвать оперативной (быстрой)памятью или внутренней памятью, поскольку ее носитель находится внутри нас.
Другие носителиинформации можно назвать внешними (по отношению к человеку), например бумага, которая, непригодна в обычных (неспециальных) условиях для длительного хранения информации: на нее оказываютвредное воздействие температурные условия.
ДляЭВТ по материалу изготовления различают бумажные, металлические, пластмассовые,комбинированные и другие носители; по принципу воздействия и возможностиизменения структуры выделяют магнитные, полупроводниковые, диэлектрические,перфорационные, оптические и др.; по методу считывания различают контактные, магнитные,электрические, оптические. Хранениеинформации осуществляется на специальных носителях.
Особоезначение при построении информационного обеспечения имеют характеристикидоступа к информации, записанной на носителе, которые бывают прямого ипоследовательного доступа. Пригодность носителя для хранения информацииоценивается такими параметрами, как время доступа, емкость памяти и плотностьзаписи. Хранение больших объемов информации оправдано только при условии, еслипоиск нужной информации можно осуществить достаточно быстро, а сведенияполучить в доступной форме.
Хранилищеинформации – это определенным образом организованная информация на внешнихносителях, предназначенная для длительного хранения и постоянногоиспользования, например архивы документов, библиотеки, справочники, картотеки.Основной информационной единицей хранилища является определенный физическийдокумент: анкета, книга, дело, досье, отчет и пр. Под организацией хранилищапонимается наличие определенной структуры, т. е. упорядоченность, классификацияхранимых документов. Она необходима для удобства ведения хранилища: пополненияновыми документами, удаления ненужных, поиска информации и т. д.
Основныесвойства хранилища информации: объем хранимой информации, надежность хранения,время доступа (т. е. время поиска нужных сведений), наличие защиты информации.
Информацию,хранимую на устройствах компьютерной памяти, принято называть данными. Дляописания хранения данных используют те же понятия: носитель, хранилище данных,организация данных, время доступа, защита данных. Организованные хранилищаданных на устройствах внешней памяти компьютера принято называть базами данныхи банками данных.
Таким образом, хранение информациипредставляет собой процесс передачи информации во времени, связанный собеспечением неизменности состояния материального носителя.
/>1.6.6Системы хранения данных
Впоследнее время применение компьютерной техники претерпевает значительныеизменения, связанные с переходом к созданию интегрированных (объединенных)информационных систем, предназначенных осуществлять согласованное управлениеданными в пределах предприятия (организации), координировать работу отдельныхподразделений, автоматизировать операции по обмену информацией как в пределахотдельных групп пользователей, так и между несколькими организациями,отстоящими друг от друга на десятки и сотни километров. Основой для построенияподобных систем служат локальные вычислительные сети (ЛВС). Их характернойчертой является предоставление пользователям возможности работать вуниверсальной информационной среде с функциями коллективного доступа к данным.
Ростобъемов данных, возросшие требования к надежности хранения и быстродействиюдоступа к данным делают необходимым выделение средств хранения в отдельнуюподсистему вычислительного комплекса – систему хранения данных. Роль и важностьее определяются постоянно возрастающей ценностью информации в современномобществе, возможность доступа к данным и управления ими является необходимымусловием для успешного выполнения информационных процессов.
Системахранения данных предназначена для организации их надежного хранения, а такжеотказоустойчивого, высокопроизводительного доступа серверов к устройствамхранения. В настоящее время объем и стоимость обрабатываемой информации скаждым годом увеличиваются и, как следствие, повышаются требования понадежности, доступности и совокупной стоимости владения используемых системхранения данных. Помимо высоких показателей производительности, доступности инизкой стоимости необходимо обеспечить требуемую функциональность – объемхранения и число подключаемых серверов.
Дисковыемассивы сегодня являются основными устройствами хранения данных, однакообработка информации, формирование логической структуры ее хранения (дисковыхтомов и файловых систем) осуществляется на серверах. В процесс доступа кданным, помимо процессоров и памяти сервера, вовлечены установленные в немадаптеры (Host Bus Adapter – HBA), работающие по определенному протоколу, драйверы,обеспечивающие взаимодействие HBA с операционной системой, менеджер дисковыхтомов, файловая система и менеджер памяти операционной системы.
Еслидисковый массив выполнен в виде отдельного устройства, то для его подключения к серверам используется определенная инфраструктура. Взависимости от протокола доступа (транспорта), реализованного в HBA и дисковоммассиве, она может быть как простой шиной (протокол SCSI), так и сетью(протокол Fibre Channel (FC)). Если это сеть, то в ней используется активноеоборудование – концентраторы и коммутаторы, работающие по протоколу FC,маршрутизаторы протокола FC в другие протоколы (обычно в SCSI). Таким образом,помимо устройств хранения данных в состав СХД необходимо еще добавитьинфраструктуру доступа, связывающую серверы с устройствами хранения.
Сетевойинфраструктурой, объединяющей большое количество серверов и устройств хранения,необходимо управлять и отслеживать ее состояние. Это реализуется«подручными» средствами – встроенными утилитами серверов, массива иоперационной системы, бесплатными утилитами или «самописными»скриптами. Каждое из устройств в СХД имеет несколько объектов, требующихуправления и контроля состояния, например дисковые группы и тома у массивов,порты у массивов и коммутаторов, адаптеры в серверах. Как только число объектовуправления в СХД начинает исчисляться десятками, управление такой конфигурациейотнимает у администраторов слишком много времени и сил и неизбежно приводит кошибкам. Справиться с такой задачей можно, только используя полномасштабнуюсистему управления.
Системахранения данных должна включать следующие подсистемы и компоненты:
1.Устройства хранения данных: дисковые массивы и ленточные библиотеки. Современные высокопроизводительныедисковые массивы используют технологию Fibre Channel для подключения к нимсерверов и доступа к дискам внутри массива. Они могут масштабироваться додесятков терабайт дискового пространства и обладают встроенным интеллектом длявыполнения специальных функций: виртуализации дискового пространства,разграничения доступа к дисковому пространству, создания Point-In-Time (PIT)копий данных и репликации данных между массивами. К устройствам хранения данныхтакже относятся ленточные, магнитооптические и CD/DVD библиотеки.
2.Инфраструктуру доступа серверов к устройствам хранения данных, которая создается в настоящее времяна основе технологии «сеть хранения данных» (Storage Area Network –SAN). SAN является высокопроизводительной информационной сетью, ориентированнойна быструю передачу больших объемов данных.
Воснове концепции SAN лежит возможность соединения любого из серверов с любымустройством хранения данных, работающим по протоколу Fibre Channel. Сетьхранения данных образуют волоконно-оптические соединения, Fibre Channel HostBus Adapters (FC-HBA) и FC-коммутаторы, обеспечивающие в настоящее времяскорость передачи 200 Мбайт/с и удаленность между соединяемыми объектами донескольких десятков километров.
3. Систему резервного копирования иархивирования данных, предназначенную для создания резервных копий ивосстановления данных. Она позволяет защитить данные от разрушения не только вслучае сбоев или выхода из строя аппаратуры, но и в результате ошибокпрограммных средств и пользователей.
4.Программное обеспечение управления хранением данных, предназначенное для решения задачуправления хранением данных, например, для разметки дисковых томов илиповышения производительности доступа к данным прикладного ПО. Это достигаетсяза счет того, что встроенное в массивы программное обеспечение собирает статистикупо интенсивности работы с данными и исходя из нее принимает решение оперемещении данных на диски, производительность которых соответствует скоростиобращения к данным.
5.Систему управления, предназначенную для мониторинга и управления уровнем качества сервисахранения данных. Она тесно интегрируется с системой управления вычислительнымкомплексом. Основой системы управления СХД являются средства управленияаппаратными ресурсами сети хранения данных. Их интеграция с другими системамидает возможность контролировать ресурсы СХД и управлять ими на всех уровнях – от дисков в массиве до файловойсистемы сервера.
Длязащиты от отказов отдельных дисков используют технологии RAID (кроме RAID-0),использующие дублирование данных, хранимых на дисках. Уровень RAID-5 хотя и несоздает копий блоков данных, но все же сохраняет избыточную информацию, чтотоже можно считать дублированием. Для защиты от логического разрушения данных(разрушение целостности базы данных или файловой системы), вызванного сбоями в оборудовании,ошибками в программном обеспечении или неверными действиями обслуживающегоперсонала, применяется резервное копирование, которое тоже являетсядублированием данных. Для защиты от потери данных вследствие выхода из строяустройств хранения по причине техногенной или природной катастрофы данныедублируются в резервный центр.
Отказоустойчивостьдоступа серверов к данным достигается дублированием путей доступа.Применительно к SAN дублирование заключается в следующем: сеть строится как двефизически независимые сети, идентичные по функциональности и конфигурации.В каждый из серверов устанавливается как минимум по два адаптера FC-HBA.Первый из них подключается к одной половинке SAN, а второй – к другой. Отказоборудования, изменение конфигурации или регламентные работы на одной из частейSAN не влияют на работу другой. В дисковом массиве отказоустойчивость доступа кданным обеспечивается дублированием RAID-контроллеров, блоков питания,интерфейсов к дискам и к серверам. Для защиты от потери данных зеркалируютучастки кэш-памяти, участвующие в операции записи, а электропитание кэш-памятирезервируют батареями. Пути доступа серверов к дисковому массиву тожедублируются. Внешние интерфейсы дискового массива подключаются к обеимполовинкам SAN.
Всепредлагаемые решения обладают высокой степенью масштабирования, что позволяетсначала использовать небольшую и относительно дешевую систему хранения данных ипо мере своего развития модернизировать ее в систему хранения данныхкорпоративного уровня, отвечающую заданным требованиям по надежности хранения идоступности информации.
Структурасистемы хранения данных имеет несколько уровней.
1. Системахранения данных начального уровня (рис. 1.18).
Строитсяна основе дисковых массивов с аппаратной реализацией RAID и интерфейсами FC,которые обладают возможностью непосредственного подключения несколькихсерверов, а максимальный объем хранимой информации может достигать несколькихтерабайт. Для обеспечения резервного копирования информации в рамкахпредлагаемого решения используются ленточные библиотеки с интерфейсом FC, чтопозволяет вынести их за пределы вычислительного центра и тем самым обеспечитьсохранность данных и возможность их восстановления в случае локальныхкатастроф, например пожара. Для обеспечения высокого уровня надежности храненияданных у выбираемых моделей дисковых массивов дублированы все основные элементыконструкции.
/>
Рис. 1.18. Системахранения данных начального уровня
Данноерешение может быть модернизировано в систему хранения данных среднего уровня.
2. Система храненияданных среднего уровня (рис. 1.19).
Данноерешение строится на основе 8- или 16-портовых коммутаторов начального уровня.Они обеспечивают возможность более гибкого распределения дисковых ресурсовмежду серверами, а также позволяют применять современные технологии резервногокопирования данных.
Приреализации решения для хранения наиболее важных данных могут использоватьсямодели дисковых массивов, у которых отсутствует единая точка отказа, чтоисключает возможность потери доступности данных в случае выхода из строяоборудования.
/>
Рис. 1.19. Системахранения данных среднего уровня
3. Корпоративная системахранения данных (рис. 1.20).
Основнаязадача, решаемая при построении системы такого уровня, – обеспечение высокойстепени доступности данных и защищенности их как от локальных катастроф, так иот глобальных (в пределах страны) технологических катаклизмов.
Перваяпроблема может быть решена благодаря возможности технологии FC работать набольших расстояниях, что позволяет создать два разнесенных в пространствевычислительных центра и зеркалировать или синхронно реплицировать наиболееважные данные между ними, защита которых от глобальных катастроф обеспечиваетсяс помощью асинхронного удаленного зеркалирования (remote mirroring) данныхчерез Интернет на дисковые массивы с последующим перенесением информации наленты. Корпоративная система хранения данных обладает едиными средствамимониторинга и управления.
/>Рис. 1.20. Система хранения данныхкорпоративного уровня
1.7Правовые аспекты информационных технологий
1.7.1Информация, информационные процессы
исистемы как объект правового регулирования
общественныхотношений
Информация, т. е.сведения о чем-либо или извещения о событиях и фактах, издревле циркулировала вобществе, являясь одним из средств общения, овладения знаниями, образования,воспитания, сопровождения движения товаров и услуг, свидетельствования озаключенных сделках, разрешения споров, подтверждения событий и фактов.Развитие средств вычислительной техники и связи создало новые возможности дляобособления и овеществления информации, включения ее в оборот и распространенияна нее статуса товара. Повсеместное внедрение информационных сетей привело кформированию глобального межгосударственного информационного виртуальногопространства. Эти реалии настоятельно требуют четкого правового регулированияобщественных отношений в информационной сфере, т. е. становления правовогофундамента информационного общества. При этом необходимо четко понимать, чтотакое информационное право, кто его субъекты, каков предмет, принципы и методырегулирования, источники и другие составные части, традиционно характеризующиеотрасль права.
Термин«информационное право» все чаще используется специалистами.Существует несколько трактовок данного понятия. Согласно одной из них подсодержанием понятия «информационное право» подразумеваютсяинформационные отношения как предмет правового регулирования, субъектыинформационных отношений, правовой режим получения, передачи, хранения ииспользования информации, юридические режимы информации разного содержания,пользования банками и базами данных, информационные правоотношения,ответственность. С другой точки зрения этот термин трактуется как системаохраняемых государством социальных норм и отношений, возникающих винформационной сфере – сфере производства, преобразования и потребленияинформации. Так же информационное право можно определить как совокупностьюридических норм и институтов, регулирующих информационные отношения винформационной сфере. Строение информационного права, особенности субъектов-участниковобращения информации, принципы и методы регулирования, структура и составопределяются, в первую очередь, особенностями и юридическими свойствамиинформации – основного объекта этого права.
К основным субъектаминформационного права относятся лица, участвующие в создании, преобразовании,передаче, распространении, получении и потреблении информации: создатели(производители), обладатели (информаторы) и потребители. Создатели(производители) – это лица, в результате интеллектуальной деятельности которыхпоявляется информация: авторы, создающие творческую продукцию, и лица (в том числе органы государственной власти, местного самоуправления, юридическиелица), не претендующие на авторство по поводу созданной ими информации.Существуют и другие виды информации, не являющиеся результатом творчества,например, обязательно предоставляемая, отчетная информация, персональныеданные. Ряд производителей не претендует на защиту своих личных неимущественныхправ на созданную информацию, однако заинтересованы в признании этой информациисвоей собственной. К ним можно отнести производителей открытых справочныхинформационно-поисковых систем, баз и банков данных и т. п. Обладатели(информаторы) – это посредники между создателями и потребителями информации; лица,приобретающие исключительное право на передачу и распространение информации иобеспечивающие доведение созданной информации до конечного потребителя.Потребители – это лица, нуждающиеся в информации, производящие поиск иполучающие ее для удовлетворения своих потребностей (повышения знаний,образования, принятия решений и т. п.). К субъектам информационного праваотносятся также лица, которые участвуют в создании и применении средств имеханизмов программно-технического обеспечения информационных процессов – информационных систем, сетей,информационных технологий и средств их обеспечения (информационных,лингвистических, технических, программных и др.).
Основные объектыправового регулирования – это информационные отношения, возникающие приосуществлении информационных процессов создания, сбора, обработки, накопления,хранения, поиска, распространения и потребления информации.
Информация – объектмногофункциональный, она создается, обращается и применяется во всех сферахдеятельности и обеспечивает выполнение многочисленных функций и задач, стоящихперед самыми разными субъектами – органами государственной власти, местногосамоуправления, физическими и юридическими лицами. При обращении информации вгосударстве и обществе она может выступать:
– как товар при еесоздании, хранении, использовании, пере-даче и распространении;
– средство, спомощью которого осуществляются правовые координация и управление поведениемсубъектов (через официальные документы и судебные решения);
– источник дляпринятия решений;
– источникполучения знаний в процессе образования и воспитания при осуществленииконституционного права на образование;
– средствоизвещения общества о происходящих событиях и явлениях (через СМИ) приосуществлении конституционного права на информацию;
– средствоотчетности о деятельности юридических и физических лиц (налоговая,бухгалтерская, статистическая отчетности);
– средствореализации прав и свобод личности через предоставление сведений о личностиразным структурам (право на жизнь, жилище, медицинское обслуживание,образование; воспитание, труд и т. п.).
Следует обратить вниманиена то, что информация одновременно может выступать как источник, несущийопределенную функциональную нагрузку, так и товар. Например, нормативныеправовые акты, выполняя основную функцию – распространение правовых норм идоведения их до каждого, одновременно выступают и в качестве товара при продажеинформационных продуктов и в предоставлении информационных услуг, построенныхна их основе.
В отличие от известных,традиционных для права объектов, таких как вещи, информация обладает рядомспецифических особенностей и юридических свойств, которые во многом определяютотношения, возникающие при ее обращении между субъектами, и характер ихповедения.
1. Информация при включении в оборотобособляется от ее создателя или обладателя, овеществляется в виде символов илизнаков и вследствие этого существует отдельно и независимо от создателя илиобладателя. Отсюда возникает юридическое свойство информации – возможностьвыступать в качестве объекта, передаваемого от одного субъекта к другому итребующего юридического закрепления факта ее принадлежности субъектам,участвующим в таком ее обращении.
2. После передачи информации (сведенийили данных) от одного субъекта к другому одна и та же информация одновременноостается у передающего и появляется у принимающего субъекта, т. е. одна ита же информация одновременно принадлежит двум участникам информационныхотношений. Это основное отличие информации от вещи. Юридическое свойство информациив связи с этим есть ее физическая неотчуждаемость от создателя, обладателя ипотребителя. Оно требует разработки и применения к информации при ее обращенииособых правовых механизмов, заменяющих механизм отчуждения вещи. Это можносделать, например, устанавливая в договоре правила использования информациипосле ее передачи как субъектом, ее передавшим, так и субъектом, ее получившим.
3. Информация при включении в оборотдокументируется и отображается на материальном носителе. Существуют две группыносителей: жесткие, к ним информация привязана жестко в виде набора букв,символов, знаков и т. п. (бумага, микроносители, нестирающиеся лазерные диски идр.), и виртуальные носители, к которым информацию нельзя привязать жестко, поним она как бы «скользит» (дискеты с перезаписью, кассеты магнитныхлент, ЭВМ и т. п.). Юридическое свойство, вытекающее из этой особенности,заключается в двуединстве информации и материального носителя, на котором этаинформация закрепляется. Оно дает возможность ввести для документированнойинформации понятие «информационная вещь», состоящая из носителяинформации и самой информации, отображенной на носителе.
4. Информация представляется вопределенных организационных формах: отдельные данные (сведения), документ,массив (база) данных (документов), библиотека, фонд документов, архив и т. п.Юридическое свойство – возможность относить к информационным вещам какотдельные исходные документы, так и сложные организационные структуры,содержащие информацию (информационные системы, банки данных, информационныесети, библиотеки, архивы), и включать такие вещи в состав имущества. Основнойпредмет правового регулирования информационного права – информационныеотношения.
Основополагающимиобщественными отношениями информационного права являются отношения, возникающиепо поводу признания информации своей, своей собственной, или так называемыеотношения информационной собственности. Информационный собственник обладаетследующими информационными правомочиями:
1) знать содержание информации (сведенияили данные, содержащиеся в ней);
2) применять в личной деятельностисведения, данные, содержащиеся в информации;
3) передавать или распространятьинформацию с целью доведения ее до потребителя.
Механизм защиты такихправ собственности аналогичен механизму осуществления исключительных прававтора на результат творчества, действующему в законодательстве об авторскомправе и смежных правах. Однако понятие «информационная собственность»шире понятия «интеллектуальная собственность на результатытворчества». Оно распространяется на результат практически любойинтеллектуальной деятельности, в процессе которой появляется любая открытаяинформация, представляющая интерес для ее создателя и далеко не всегдаявляющаяся результатом творчества.
Существуют разновидностиинформационных собственников (владельцев): собственник-создатель;собственник-обладатель; собственник-потребитель.
В собственностисобственника-создателя информационной вещи находится оригинал (подлинник)документа, на котором отображена созданная им в процессе его интеллектуальнойдеятельности информация. Такой собственник имеет обычные права собствен-ностина эту вещь, т. е. может владеть, пользоваться, распоряжаться ею. Однако врамках своих информационных правомочий он обладает также исключительными правамив отношении информации, отображенной в этой информационной вещи.
Собственник-обладательинформационной вещи (посредник между создателем и потребителем информации)реализует правомочия собственника с учетом приобретенных им у создателяинформационной вещи информационных правомочий. В соответствии с ними онполучает в собственность оригинал (подлинник) или копию информационной вещи отсобственника-создателя с правом включения информации, отображенной в ней, воборот, в том числе и с целью извлечения прибыли (аналогия авторскомудоговору).
Собственник-потребительинформационной вещи приобретает (получает) в собственность копии информационныхвещей (например, экземпляры тиража издания). При этом в соответствии синформационными правомочиями потребителя информации он может использоватьинформацию, содержащуюся в этой информационной вещи, только в личных целях, ноне имеет права копировать, тиражировать и распространять копии этойинформационной вещи в коммерческих целях, хотя может распорядиться (передать,продать) принадлежащей ему конкретной копией информационной вещи.
1.7.1.1 Принципыинформационного права
Под принципамиинформационного права понимают основные исходные положения, юридическизакрепляющие объективные закономерности общественной жизни, проявляющиеся винформационной сфере. Они формируются на основе указанных выше особенностей июридических свойств информации, а также многофункциональности информации какобъекта права. В Концепции правового регулирования применения информационных икоммуникационных технологий (ИКТ) в Российской Федерации приведена системапринципов, включающая в себя принципы регулирования ИКТ-сектора в целом ипринципы регулирования отдельных отраслей, входящих в ИКТ-сектор.
Общиепринципы регулирования:
1. Принцип адекватности мергосударственного регулирования. Государство должно принимать только терегулятивные меры, которые необходимы для разрешения сложившихся в секторе ИКТпроблем и создания механизма реализации прав и законных интересов участниковИКТ-сектора.
2. Принцип устранения избыточныхадминистративных барьеров. Меры прямого государственного регулирования могутвводиться только в целях защиты важнейших интересов общества и государства,жизни, здоровья и имущества граждан. Приоритет отдается мерам текущего контроляза деятельностью участников рынка перед мерами, ограничивающими доступ на рынокновых участников.
3. Принцип приоритетного использованияметодов государственного регулирования в секторе ИКТ. Правовые нормы,устанавливающие правила поведения участников ИКТ-сектора, могут применятьсятолько для защиты важнейших прав и законных интересов личности, общества игосударства. Приоритет отдается методам регулирования, допускающим свободныйвыбор участниками форм и способов реализации своих прав и обязанностей и осуществлениетаких прав и обязанностей собственными инициативными действиями участниковИКТ-сектора.
4. Принцип гарантированности правграждан и юридических лиц. Государственное регулирование отношений в сектореИКТ основывается на системе организационно-правовых и материальных гарантий,создающих механизм реализации установленных в законе прав граждан и юридическихлиц. Государственные органы и должностные лица должны нести ответственность вслучае непринятия установленных в законодательстве мер, направленных нареализацию прав граждан и юридических лиц.
5. Принцип совместимости с мировыминформационным пространством. Развитие нормативного регулирования примененияИКТ-технологий направлено на интеграцию с международным информационнымпространством, приведение российского сектора ИКТ в соответствие сосложившимися в зарубежной практике подходами.
Государственноерегулирование информационного взаимодействия должно основываться на следующихотраслевых принципах:
1. Принцип реальной доступностиинформации. Основной гарантией соблюдения информационных прав граждан иорганизаций является законодательно установленная презумпция открытостиинформации, содержащейся в государственных информационных ресурсах. Однакоинформация, которая в соответствии с законодательством является открытой,должна быть фактически доступна.
2. Принцип сокращения количестватранзакций. Структура информационных ресурсов и информационных процессов сгосударственными органами должна выстраиваться таким образом, чтобыминимизировать число транзакций, необходимых для реализации тех или иныхинформационных прав.
3. Принцип консолидации государственныхинформационных ресурсов. Государственные информационные ресурсы, какпредназначенные для публичного доступа, так и создаваемые для собственных нуждотдельных органов, должны быть, с учетом режимов хранения информации икатегории доступа, непосредственно доступны для всех государственных органов.Государственный орган, которому для принятия решений требуется определеннаяинформация (в настоящее время она обычно требуется от заявителя), должен иметьдоступ к этой информации, в т. ч. к информации, содержащейся в информационныхресурсах других ведомств или территориальных отделений.
4. Принцип единообразия формпредставления информации и стандартов ведения государственных информационныхресурсов. Принципы сокращения количества транзакций и гарантии открытостиинформации предполагают возможность легкого доступа к информации и простотыобмена информацией между различными информационными ресурсами. Это возможно толькопри условии строгой унификации государственных информационных ресурсов истандартов вносимой в них информации.
5. Принцип обеспечения сохранности идостоверности информации. Нормативные акты должны предусматривать порядокинформационного взаимодействия, однозначно устанавливающий непротиворечивые инедискриминационные процедуры восстановления информации в случае утраты ее водном из ресурсов, преодоления искажений информации, устранения коллизий междуресурсами.
6. Принцип равноправия форм документов.Документ, представленный в электронной форме, не может быть лишен юридическойсилы только на том основании, что он составлен в электронной форме. Каждыйдокумент, предусмотренный любым нормативным актом, должен сохранять юридическуюсилу при переводе из одной формы представления в другую.
1.7.1.2 Методыинформационного права
Под методом правовогорегулирования понимают способы воздействия отрасли информационного права наинформационные отношения. Многофункциональность информации приводит кнеобходимости применять в информационном праве различные методы правовогорегулирования информационных отношений в зависимости от вида информации и ееназначения в информационных процессах.
При изложении содержанияинформационно-правовых норм, обеспечивающих регулирование информационныхотношений, связанных с созданием такой информации, как нормативные правовыеакты, персональные данные, статистическая информация, государственныеинформационные ресурсы, обязательно представляемая информация, применяютсяметоды конституционного и административного права: при создании информации,представляющей результат творчества, коммерческую тайну, открытую информацию –методы гражданского права.
При регулированииотношений, возникающих при передаче и распространении информации, применяютсяметоды административного и конституционного законодательства, гражданскогоправа, а также новые методы регулирования отношений информационнойсобственности, основанные на принципах такой собственности, еще толькоподлежащих разработке в рамках информационного права.
При регулированииотношений, возникающих в процессе применения информации, должны использоватьсяметоды гражданского права и новые методы информационного права; прирегулировании отношений по поводу ответственности за допущенные правонарушенияв информационной сфере – методы законодательства об административных нарушенияхуголовного права.
Таким образом,информационное право является комплексной отраслью, базирующейся, как на двухкитах, на публичном и частном праве, и использует при решении задач правовогорегулирования отношений в информационной сфере практически весь основнойарсенал механизмов публичного и частного права.
1.7.2Информационное законодательство
в сфереинформационных технологий
Российскоеинформационное законодательство, формировавшееся во время наиболее динамичногоразвития информационных технологий, характеризовалось постоянным отставанием отсовременного уровня ИКТ. Изменения законодательства характеризовалисьотсутствием каких-либо программных документов, устанавливающих приблизительныеправила использования ИКТ.
Однимиз наиболее нежелательных следствий отсутствия системного подхода крегулированию сектора ИКТ является снижение конкурентоспособностиотечественного сектора ИКТ по отношению к странам с рыночной экономикой. Этапроблема, носящая структурный характер, вызвана рядом проблем:
– отсутствиемчетких гарантий прав граждан, вызванным системными препятствиями, возникающимина пути к их осуществлению;
– отсутствиемгарантий для предпринимателей, неоправданными барьерами выхода на рынок,вызванными часто нехваткой информации о требованиях законодательства косуществлению той или иной деятельности;
– коррупцией средичиновников госаппарата, основанной прежде всего на возможности принятия решенийс высокой степенью произвольности;
– отсутствиемэффективных процедур ответственности госслужащих и государственных органов занарушения своих обязанностей, в том числе и нарушения в области информационноговзаимодействия, низким уровнем успешно осуществленных преследований за такиенарушения и высокой латентностью таких нарушений.
Системаправового регулирования ИКТ-сектора должна учитывать особенности предметнойобласти регулирования и строиться в соответствии с принципами, устанавливаемымиконцепцией.Такимобразом, правовое регулирование применения информационных и коммуникационныхтехнологий в соответствии с Концепцией правового регулирования примененияинформационных и коммуникационных технологий в Российской Федерации направленона достижение следующих целей:
1) обеспечение прав граждан иорганизаций на доступ к информации из государственных информационных ресурсов;
2) снижение количества барьеров иограничений, основанных на несовершенстве системы информационноговзаимодействия, в реализации законных прав гражданами и организациями;
3) снижение расходов государственногобюджета на содержание органов государственной власти без снижения эффективностиосуществления органами государственной власти возложенных на них функций;
4) развитие областей российскойэкономики, непосредственно связанных с разработкой, применением и активнымиспользованием информационных и коммуникационных технологий.
Необходимо так жеопределиться с тем, что именно может (или должно) включать в себя понятие«законодательство об информационных технологиях» («информационноезаконодательство»). Наиболее очевидный ответ на этот вопрос связан срасширительным толкованием, при котором в сферу регулирования«информационного законодательства» подпадают все, сколько-нибудьимеющие отношение к понятию «информация», правовые институты.
В этом случае под«использованием информационных технологий» следовало бы понимать (втерминах действующего российского законодательства) любые «информационныепроцессы»: сбор, накопление, потребление, хранение и преобразование информациикак сведений о фактах, событиях и явлениях окружающего мира. При этом в сферу«информационного права» подпадают, в частности, вопросы:
1) определения правового статусаинформации как объекта гражданских прав;
2) создания и производства, реализации иприобретения, потребления и использования средств обработки (хранения)информации («информационных систем», «информационныхтехнологий»);
3) реализации конституционных прав,связанных с информацией (включая вопросы «информационной открытости»органов государственной власти, вопросы свободы слова, тайны перепискии др.), соотношения реализации данных прав с ограничениями, связанными сгосударственной, коммерческой и служебной тайной, а также информациейперсонального характера (с ограниченным доступом), с защитой прав и законныхинтересов различных субъектов на ограничение доступа к информации;
4) юридического статуса информации вэлектронном виде (передача информации в виде сообщений, распространениеоткрытой, в том числе массовой, информации, записи в информационных ресурсах,документы в электронной форме) – проблема соотношения оригинала и копиидокумента, представления доказательств, а также обеспечения доказательств присовершении процессуальных действий;
5) охраны результатов интеллектуальнойдеятельности («интеллектуальной собственности», «исключительныхправ»), зафиксированных в электронной форме;
6) информационной безопасности(«защиты информации»), включая применение специальных технологическихсредств и организационных механизмов такой защиты;
7) выявления, пресечения и расследованияантиобщественных деяний (правонарушений и преступлений) в информационнойсфере;
8) правового регулированиятелекоммуникационного сектора, составляющего инфраструктурную основу иоказывающего прямое воздействие на развитие информационных и коммуникационныхтехнологий (вопросы обеспечения конкуренции, оптимальных форм государственногорегулирования, универсального обслуживания);
9) применения информационных технологийв качестве средств доказывания и доказательств в процессуальных действиях.
При таком пониманиивопросы ” информационного законодательства” неизбежно будут«пересекаться» с нормативными актами, традиционно относимыми к инымотраслям права (конституционному, гражданскому, уголовному, административному,о средствах массовой информации и т. п.).
Базовые законы обинформации находятся в ведении Минсвязи, вопросы гостайны – Гостехкомиссии иФСБ; коммерческой тайны – Минпромнауки; служебной тайны и доступа кправительственной информации – Минэкономразвития; охраны интеллектуальнойсобственности – Роспатента и Минпромнауки; массовой информации (причем нетолько деятельности средств массовой информации) – Минпечати; распространенияинформационных сообщений рекламного характера – Министерства по антимонопольнойполитике и т. п.
Такое распределениенормативных актов (групп актов), «закрепленных» за определеннымведомством федерального уровня, значительно усложняет выработку основанного наедином концептуальном подходе нормативного правового регулирования.
Современный этап развитияроссийского законодательства в области ИКТ характеризуется значительным числоми большим разнообразием источников правовых норм. Только на уровне федеральныхзаконов насчитывается несколько десятков нормативных актов, относящихся как кспецифическим вопросам регулирования («профильное законодательство»),так и к регулированию более общего характера, затрагивающего также и вопросыИКТ.
Так, к законодательствуобщего характера, закрепляющему информационные права и свободы,устанавливающему основные права и обязанности соответствующих субъектов поповоду создания и распространения информации определенного вида, а такжеустанавливающему ограничения в обращении информации в государстве и обществе,относят следующие нормативные акты:
– Конституция РФ (1993 г.) закрепляет права на неприкосновенность частной жизни, личной и семейной тайны, тайнупереписки, права на информацию («свободно искать, получать, передавать,производить и распространять информацию любым законным способом»), свободумысли и слова, массовой информации и запрет цензуры, свободу творчества, охрануинтеллектуальной собственности;
– Закон РФ «Огосударственной тайне» (1993 г.);
– Закон РФ ” Осредствах массовой информации” (1991 г.), регулирующий вопросы деятельности средств массовой информации и специфики «массовой» информации;
– Закон РФ «Оправовой охране программ для ЭВМ и баз данных» (1992 г.);
– Закон РФ «Оправовой охране топологий микросхем» (1992 г.);
– Патентный законРФ (1992 г.);
– Закон РФ «Обавторском праве и смежных правах» (1993 г.);
– Федеральный закон«Об информации, информатизации и защите информации» (1995 г.);
– Федеральный закон«Об участии в международном информационном обмене» (1995 г.);
– Федеральный закон«Об электронной цифровой подписи» (2002 г.);
– Федеральный закон«О связи» (1995 г., в редакции 2003 г.);
– Федеральный закон«О рекламе» (1995 г.);
– Федеральный закон«О лицензировании отдельных видов деятельности» (2001 г.).
Законодательства, актыкоторых целиком посвящены вопросам информационного права, подразделяются:
– назаконодательство об интеллектуальной собственности, включающее законодательствооб авторском праве и смежных правах, патентное законодательство,законодательство о «ноу-хау»;
– законодательство о средствах массовой информации и о масс-медиа;
– законодательствоо формировании информационных ресурсов, информационных продуктов, предоставленииинформационных услуг, подразделяющееся, в свою очередь, на законодательстваправовой информации, персональных данных, библиотечном деле, об архивах,статистической информации, международном обмене информацией;
– законодательствоо реализации права на поиск, получение, передачу и потребление информации;
– законодательствоо создании и применении информационных систем, их сетей, иных информационныхтехнологий и средств их обеспечения;
– законодательствооб информационной безопасности.
Перечисленные актыявляются примерами соответствующих групп и не являются исчерпывающим списком.
Гражданский, Налоговый,Таможенный, Уголовный кодексы, Кодекс законов о труде также содержат нормы,относящиеся к регулированию ИКТ.
Следует также упомянутьмногочисленные подзаконные акты (указы Президента Российской Федерации,постановления Правительства Российской Федерации, нормативные документыфедеральных органов исполнительной власти), принятые в развитие перечисленныхфедеральных законов (например, регулирующие вопросы использования средствзащиты информации, порядок и условия лицензирования соответствующейдеятельности, экспорта программного обеспечения и т. д.); законодательные актыпо профильным вопросам, принятые в субъектах Российской Федерации (например, законправительства города Москвы «Об информационных ресурсах и информатизациигорода Москвы», принятый в 2001 г.).
В настоящее время наразных стадиях рассмотрения в федеральных органах государственной власти иФедеральном собрании находится ряд проектов и федеральных законов, относящихсяк правоотношениям в сфере ИКТ («Об электронной торговле», «Обинформации персонального характера (персональных данных)»,«О служебной тайне», «Об обеспечении прав граждан наинформацию о деятельности органов государственной власти», Федеральныйзакон «О коммерческой тайне» и др.).
Классификация нормативныхактов:
1) законодательство общего характера,регламентирующее наиболее фундаментальные принципы регулирования общественныхотношений, связанных с использованием информации и ИКТ;
2) законодательство, регламентирующееиспользование общедоступной информации («открытого доступа»);
3) законодательство, регламентирующееиспользование конфиденциальной информации («ограниченного доступа»);
4) законодательство, регламентирующееразличные прикладные аспекты использования информации и ИКТ;
5) законодательство, относящееся кохране интеллектуальной собственности.
Так, к первому классумогут быть отнесены соответствующие разделы Конституции Российской Федерации иГражданского кодекса, а также «базовый» Федеральный закон «Обинформации, информатизации и защите информации».
Второй класс в российскихусловиях будут составлять нормы, относящиеся к массовой информации, Закона«О СМИ», а также (после его приятия) законопроект «Обобеспечении прав граждан на информацию о деятельности органов государственнойвласти».
Третий класс включаетЗакон «О государственной тайне», а также законопроекты «Окоммерческой тайне», «О служебной тайне» и «О персональныхданных».
Четвертый класспредставлен Федеральными законами «Об ЭЦП», «О связи»,законопроектом «Об электронной торговле» и т. п.
В пятом классесосредоточены все российские законы, связанные с охраной результатов творческойдеятельности.
При более глубокомрассмотрении указанных законодательных актов выявляется ряд недостатков,свидетельствующих о неадекватности нынешнего состояния правового регулированияв информационной сфере складывающимся в ней общественным отношениям:
– неопределенностьправового статуса информации, вовлеченной в общественные отношения (гражданскийоборот);
– неопределенностьправовой специфики правоотношений, возникающих в связи с использованиемроссийскими гражданами, организациями и государственными органами глобальнойинформационной сети Internet(имущественные права на размещаемые в сети информационные объекты, совершениесделок «в электронной форме», идентификация участников сетевыхправоотношений, проблемы трансграничной юрисдикции, распространение информацииантиобщественного характера, включая несанкционированные рассылки«спам», предупреждение и пресечение правонарушений);
– неоднозначностьпредставления в налоговом и бухгалтерском законодательстве информационных(нематериальных) объектов, приобретаемых и реализуемых налогоплательщиками. Кэтому примыкает и юридически некорректное закрепление имущественных правгосударства на информационные объекты (ресурсы), создаваемые на бюджетныесредства (т. е. содержательную информацию, имеющую в том числе и коммерческуюценность);
– терминологическаянеоднозначность и концептуальное разнообразие подходов к регулированиюинформации ограниченного доступа (конфиденциальной информации в целом,государственной, служебной, коммерческой тайны, семейной и личной тайны,персональных данных и т. п.);
– межотраслевые«коллизии» правовых норм, относящихся к использованию ИКТ, носодержащихся в «непрофильных» правовых актах (Налоговом кодексе,Законе «О СМИ» и др.).
Сложившаяся ситуация снеэффективностью федерального законодательства в области использования информационныхтехнологий заставляет исправлять наиболее очевидные его недостатки либо науровне уточняющих (разъясняющих) подзаконных актов, либо на уровне законовсубъектов Российской Федерации.
1.8 Основы защитыинформации
1.8.1 Основные понятия, актуальность и основные проблемызащиты информации современных информационных систем
Сразвитием компьютерных технологий организации переходят на автоматизированныесистемы сбора, обработки, передачи и хранения информации, а также системыуправления организацией. В результате увеличивается объем циркулирующейинформации. Однако вероятность того, что данные могут быть уничтожены,скопированы или незаметно изменены, постоянно возрастает. В современномпостиндустриальном обществе информация является не только результатомдеятельности и необходимым ее обеспечением, но и капиталом, имеющимматериальный эквивалент. Здесь выигрывает тот, кто вовремя и правильно успелполучить информацию и воспользоваться ею. Успех деятельности организациизависит от соблюдения конфиденциальности или правильной подачи информации,именно поэтому вопросы информационной безопасности становятся как никогдаактуальными.
Безопасность– это состояние защищенности (отсутствие опасности) жизненно важных интересовличности, общества, государства от внешних и внутренних угроз.
Информационнаябезопасность (ИБ) – защищенность информации и поддерживающей инфраструктуры отслучайных или преднамеренных воздействий естественного или искусственногохарактера, наносящих ущерб владельцам или пользователям информации иподдерживающей инфраструктуре.
В Положении огосударственном лицензировании в области защиты информации, утвержденномрешением Государственной технической комиссии при Президенте РоссийскойФедерации и Федерального агентства правительственной связи и информации приПрезиденте Российской Федерации от 27 апреля 1994 года № 10 даны следующиеопределения:
«Защита информации — это комплекс мероприятий, проводимыхс целью предотвращения: утечки, хищения, утраты, несанкционированногоуничтожения, искажения, модификации (подделки), несанкционированногокопирования, блокирования информации.»
22) «Безопасностьинформации — это состояние информации, информационных ресурсов иинформационных систем, при котором с требуемой вероятностью обеспечиваетсязащита информации (данных) от: утечки, хищения, утраты, несанкционированногоуничтожения, искажения, модификации (подделки), копирования, блокировки и т.п.»
Длякачественного и постоянного обеспечения ИБ в организациях и на предприятияхсоздаются системы информационной безопасности (СИБ), которые должны охватыватьвесь жизненный цикл информационной системы (ИС) организации, т. е. развиваться,изменяться, приспосабливаться к новым условиям вместе с ИС организации.Поддержание актуальности СИБ и адекватности ее окружающим условиям требуетпостоянных усилий со стороны администраторов безопасности организации, вниманияк новинкам в области информационной защиты и нападения.
Система информационнойбезопасности – это функционирующая как единое целое совокупность подразделений,средств, мероприятий и методов, используемых этими подразделениями в своейдеятельности, направленная на ликвидацию внутренних и внешних угроз интересамсубъекта безопасности, создание, поддержание и развитие состояния защищенностиего информационной среды.
Современное понятиезащиты информации находится в центре внимания исследователей уже несколькодесятков лет и ассоциируется, как правило, с проблемами защиты информации вавтоматизированных системах обработки данных (АСОД).
Защита информации в АСОД- это использование вних средств и методов, принятие мер и осуществление мероприятий с цельюобеспечения требуемой защищенности информации.
Однако информатизациясоциально-экономических и политических процессов общества и развитие ИС требуютрассмотрения понятия и сущности защиты информации с позиций более полногомножества классов и подклассов ИС:
– класса системинформационного ресурса;
– системинформационно-аналитического ресурса;
– информационно-телекоммуникационныхсистем ;
– подклассаинтегрированных государственных систем конфиденциальной связи страны;
– системсвязи специального назначения и др.
Такимобразом, можно говорить о необходимости и, более того, обязательностикомплексного подхода к проблеме защиты информации предприятия или организации.
1.8.2 Классификация угрозсовременным системам
обработки информации
Широкое использование дляобработки информации защищенных технических средств (аппаратуры засекречивания,средств активной и пассивной некриптографической защиты и др.) существенноснижает возможности технической разведки по добыванию информации. Однакосуществующие способы ведения технической разведки (ТР) позволяют добыватьинформацию на основе использования непреднамеренного (побочного) излучения инаводок электронных, электрических, электромеханических средств обработкиинформации, а также акустических, виброакустических и других полей, возникающихпри функционировании технических средств обработки, хранении, передачеинформации техническими средствами обработки информации (ТСОИ) и ведущихся вслужебных помещениях разговорах.
Современные средствапозволяют ТР по этим слабым излучениям и физическим полям обнаруживать,классифицировать тщательно замаскированную боевую технику, военные объекты,органы управления, центры обработки информации и другие объекты, а такжеперехватывать содержание обрабатываемой в них конфиденциальной информации.
Вышеперечисленныеособенности информационных технологий по мере своего проявления обусловливаютуязвимость информации: подверженностью ее физическому искажению илиуничтожению; возможностью несанкционированной (случайной или злоумышленной)модификации; опасностью несанкционированного (случайного или преднамеренного) полученияинформации лицами, для которых она не предназначалась.
Кроме этого,информационным технологиям присуща подверженность различным видам воздействий,снижающих информационную безопасность. Их принято называть угрозамибезопасности информации и информационной безопасности. Вполне очевидно, чтопонятия таких угроз формируются исходя из соответствующих понятий безопасности,при этом наиболее общие понятия безопасности и угроз сформулированы в Законе РФ«О безопасности».
23) Угрозабезопасности — совокупность условий, факторов, создающих опасностьжизненно важным интересам личности, общества и государства.
Угроза информационнойбезопасности — реальные илипотенциально возможные действия или условия, приводящие к овладению, хищению,искажению, изменению, уничтожению информации, обрабатываемой ИТКС, и сведений осамой системе, а также к прямым материальным убыткам (рис. 1.21, 1.22).
/>
Рис.1.21. Виды угрозбезопасности
Таким образом, независимоот вида объекта безопасности угроза безопасности представляет собойсовокупность факторов, явлений, условий и действий, создающих опасность длянормального функционирования объектов, реализующих определенные цели и задачи.
Угрозы безопасностиинформации в современных системах ее обработки обусловлены случайными ипреднамеренными разрушающими и искажающими воздействиями внешней среды,надежностью функционирования средств обработки информации, а такжепреднамеренными корыстными воздействиями несанкционированных пользователей,целью которых является хищение, разглашение, уничтожение, разрушение,несанкционированная модификация и использование обрабатываемой информации.
/>
Рис. 1.22. Классификацияугроз информации
24) Внастоящее время принята следующая классификация угроз сохранности (целостности)информации (рис. 1.23).
Основные проявлениярассмотренных угроз заключаются в незаконном: владении конфиденциальнойинформацией, копировании, модификации, уничтожении в интересах злоумышленников,с целью нанесения ущерба как материального, так и морального, непреднамеренныхдействиях обслуживающего персонала и пользователей.
25) Основнымипутями реализации угроз информационным ресурсам безопасности информацииявляются:
– агентурные источники в органахуправления и защиты информации;
– вербовка должностных лиц органовуправления, организаций, предприятий и т. д.;
– перехват и несанкционированный доступк информации, циркулирующей в ТСОИ, с использованием технических средствразведки;
– использование преднамеренногопрограммно-технического воздействия на ТСОИ;
/>
Рис. 1.23. Классификацияугроз информации
– подслушивание конфиденциальныхпереговоров в служебных помещениях, транспорте и других местах их ведения.
26) Факторами,обусловливающими информационные потери и различные виды ущерба, являются:
– несчастныеслучаи, вызывающие выход из строя оборудования и информационных ресурсов(пожары, взрывы, аварии, удары, столкновения, падения, воздействия химических ифизических сред);
– поломки элементовсредств обработки информации;
– последствияприродных явлений (наводнения, бури, молнии, землетрясения и др.);
– кража,преднамеренная порча материальных средств;
– аварии и выход изстроя аппаратуры, программного обеспечения, баз данных;
– ошибкинакопления, хранения, передачи, использования информации;
– восприятие,чтение, интерпретация содержания информации;
– неумение,оплошности;
– наличие помех,сбои и искажения отдельных элементов и знаков или сообщений;
– нарушение защиты;
– переполнениефайлов;
– ошибки приподготовке и вводе информации;
– ошибкиоперационной системы, программирования;
– аппаратныеошибки;
– концептуальныеошибки внедрения;
– злонамеренныедействия в материальной сфере: болтливость, разглашение информации;
– убыткисоциального характера (уход, увольнение, забастовка и др.).
С учетом применения вИТКС микропроцессорной техники особенно опасными считаются ошибки в программахпользователей, которые могут привести к следующим последствиям:
– записи в массивы данных искаженнойинформации вследствие неправильного управления вводом данных;
– ошибочной печати выходных документовпри неправильном управлении выводом;
– сбою программ.
1.8.3 Классификацияспособов и средств защиты
информации
27) Внастоящее время существует ряд подходов к определению, выбору и классификациисредств защиты информации.
Существующие в современныхсистемах обработки информации различные средства ее защиты при определенныхусловиях обеспечивают требуемый уровень защищенности информации. Их выборосуществляется в соответствии с принятым или заданным способом защиты,гарантирующим максимальное противодействие дестабилизирующим факторам илипорождающим их причинам. Целью такого противодействия должно быть исключениеили существенное затруднение получения несанкционированными лицами содержанияинформации, а также повышение или сохранение прежних значений показателейкачества информации. Классификация способов и средств защиты информации,соответствующая основным определениям, приведена на рисунке 1.24.
Защита информацииорганизуется следующими способами:
1. Препятствие — создание на пути возникновения илираспространения дестабилизирующего фактора определенного барьера, непозволяющего соответствующему фактору принять опасные размеры. Например,блокировки, исключающие возможность выхода за опасные границы характеристик техническихустройств или программ; создание физических препятствий на пути злоумышленникови т. п.
2. Управление- определение и выработка на каждом шаге функционированиясистемы обработки информации управляющих воздействий на элементы системы,обеспечивающих решение одной или нескольких задач защиты информации.
3. Маскировка- преобразование информации, включающее или существеннозатрудняющее доступ к ней злоумышленников.
4. Регламентация — разработка и реализация в процессефункционирования системы обработки информации комплексов мероприятий, создающихусловия обработки информации, существенно затрудняющие появление и воздействиедестабилизирующих факторов.
/>
Рис. 1.24. Классификацияспособов и средств защиты информации
5. Принуждение — соблюдение пользователями иобслуживающим персоналом правил и условий обработки информации под угрозойматериальной, административной или уголовной ответственности.
6. Побуждение- способ защиты информации, при котором пользователи иобслуживающий персонал систем обработки информации побуждаются (материально,морально, этически, психологи-чески) к соблюдению всех правил ее обработки.
Реализация рассмотренныхспособов обеспечения защиты информации осуществляется применением различныхсредств: формальных и неформальных.
Формальные средстваделятся на технические (физические и аппаратные), программные,программно-аппаратные, криптографические, неформальные — на организационные, законодательныеи морально-этические.
1. Технические (инженерно-технические)средства защиты используют технические устройства, узлы, блоки, элементы,системы как в виде отдельных средств, так и встроенных в процессе единоготехнологического цикла создания средств обработки информации.
Физические средства — механические, электрические,электромеханические, электронные, электронно-механические и тому подобныеустройства и системы, которые функционируют автономно, создавая различного родапрепятствия на пути дестабилизирующих факторов.
Аппаратные средства — различные электронные иэлектронно-механические и тому подобные устройства, схемно-встраиваемые ваппаратуру системы обработки данных или сопрягаемые с ней специально длярешения задач защиты информации.
2. Программные средства — специальные пакеты или отдельныепрограммы, включаемые в состав программного обеспечения систем обработки данныхс целью решения задач защиты информации.
3. Программно-аппаратная защита — использование программногообеспечения ЭВТ, комплексов и систем, а также аппаратных устройств,схемно-встроенных в состав технических средств, и систем обработки информации.
4. Средства криптографической защитыинформации (шифровальные) — устройства, средства, системы и комплексы, обеспечивающие защитусодержания информации на основе способов ее криптографических преобразований.
Неформальные средства:
1. Организационные средства — комплекс мер, основанных наорганизации и обеспечении органами управления организационных,организационно-технических мероприятий, специально предусмотренных в технологиифункционирования информационно-телеком-муникационных систем с целью решениязадач защиты информации в соответствии с системой требований нормативныхправовых актов по защите информации.
2. Законодательные средства — нормативные правовые акты,регламентирующие права и обязанности лиц подразделений и органов, имеющихотношение к функционированию системы защиты информации, а также устанавливающиеответственность за нарушение правил обработки и защиты конфиденциальнойинформации.
3. Морально-этические средства — сложившиеся в обществе или данномколлективе моральные нормы или этические правила, соблюдение которыхспособствует защите информации, а нарушение приравнивается к несоблюдениюправил поведения в обществе или коллективе. Морально-этические нормы формируютсяв процессе жизнедеятельности общества и, как правило, не имеют юридическойсилы, но их нарушение ведет к потере авторитета, возникновению дополнительныхтрудностей и другим негативным последствиям для человека и организации.
4. Психологические виды защиты — допускаемые нормами права и моралиметоды и средства изучения психофизиологических особенностей и возможностейчеловека, а также психологического воздействия на него с целью оценкисоответствия требованиям на допуск к обработке защищаемой информации.
Лекция 2. АРХИТЕКТУРА ЭВМ
2.1 Арифметические илогические основы ЭВМ
2.1.1 Представлениеданных в ЭВМ
Для оценки количестваинформации и упорядочения процесса ее обработки используются структурныеединицы информации.
За единицу информациипринимается один бит.
Бит определяет количествоинформации, посредством которой выделяется одно из двух альтернативныхсостояний. В одном бите с помощью цифр 0 и 1 может быть представлен одиндвоичный разряд числа или одна логическая переменная, принимающаясоответственно значения «ложь» или «истина».
Последовательность битов,имеющая определенный смысл, называется полем.
Поле длиной 8 битназывается байтом.
Байт, как правило,является минимальной (неделимой) единицей информации, с которой оперирует ЭВМ.Все остальные единицы информации являются его производными (рис. 2.1).
/>
Рис. 2.1. Структурныеединицы информации
Основной структурнойединицей информации, обрабатываемой ЭВМ, является машинное слово.
В современных ЭВМ длинамашинного слова обычно составляет два байта. Как правило, в одном машинномслове может быть представлено либо одно число, либо одна команда. Дляобеспечения требуемой точности вычислений и экономии памяти большинство ЭВМмогут оперировать также с двойным словом.
Последовательность полей,байтов или слов, имеющих одинаковый смысл, образуют массив.
Группа массивов можетобъединяться в сегмент. Количество информации в больших массивах оценивается спомощью производных единиц, кратных количеству байтов в степени числа два(1кбайт = 1024 байт = 210байт;1Мбайт = 1 048 576 байт = 220байт).
Вычислительная машинаоперирует с двумя видами информации: управляющей информацией и числовымиданными.
Для представлениячисловых данных в ЭВМ используются естественная и нормальная формы записичисел.
В вычислительной техникепринято отделять целую часть от дробной точкой. Так как в этом случаеположение точки между целой и дробной частями четко определено, то такоепредставление чисел называют представлением с фиксированной точкой(рис. 2.2).
/>
Рис. 2.2. Представлениечисел с фиксированной точкой
Недостатком представлениячисел с фиксированной точкой является их малый диапазон. Поэтому, как правило,в такой форме записывают только целые числа. В этом случае отпадаетнеобходимость отводить поле для дробной части числа.
Максимальным поабсолютному значению целым числом, представляемым в естественной форме, будетчисло, определяемое по формуле (2m – 1) (рис. 2.3).
Нормальная форма записи числаимеет вид N = m × q p, где m – мантиссачисла (m
Порядок указываетместоположение в числе точки, отделяющей целую часть числа от дробной.
/>
Рис. 2.3. Представлениецелых чисел
Такая форма представлениячисел называется формой с плавающей точкой. В этом случае машинное словоделится на два основных поля. В одном поле записывается мантисса числа, вовтором указывается порядок числа с учетом знака порядка (характеристика числа).Один разряд отводится для представления знака числа. Распределение разрядов вчетырехбайтовом слове для случая с плавающей точкой приведено на рисунке 2.4.
Диапазон представлениячисел с плавающей точкой значительно больше диапазона представления чисел сфиксированной точкой. Однако быстродействие ЭВМ при обработке чисел с плавающейточкой гораздо ниже, чем при обработке чисел с фиксированной точкой. Этообъясняется тем, что при работе с плавающей точкой для каждой операциинеобходимо время на определение местоположения точки.
/>
Рис. 2.4. Представлениечисел с плавающей точкой
В современных ЭВМиспользуются обе формы представления чисел.
2.1.1.1 Представление командв ЭВМ
Программа работы машины,определяющая процесс обработки информации в ЭВМ, состоит из последовательностикоманд.
Под командой ЭВМпонимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов длявыполнения машиной определенного действия.
Поле команды состоит издвух частей: операционной и адресной. В операционной части указывается кодоперации (КОП), определяющий действие (арифметическое или логическое), котороедолжна выполнить машина. Адресная часть команды содержит адреса операндов (величин),участвующих в операции. Под адре-сом «А» понимается номер(цифровой код) машинного слова (или другого поля памяти ЭВМ), где записананеобходимая для выполнения команды информация. Количество указываемых в командеадресов может быть различным. Соответственно числу адресов определяютсяследующие форматы команд: одноадресные, двухадресные, трехадресные ичетырехадресные (рис. 2.5).
/>
Рис. 2.5. Форматы командЭВМ
Трехадресная команда,выполняющая, например, операцию сложения, должна содержать код операциисложения и три адреса. Действия, выполняемые такой командой, определяютсяпримерно следующей последовательностью:
1) взять число,хранящееся по первому адресу;
2) взять число,хранящееся по второму адресу, и сложить его с первым числом;
3) результат сложениязаписать по третьему адресу.
В случае двухадреснойкоманды третий адрес отсутствует, и результат можно записать либо по второмуадресу (с потерей информации, которая была там записана), либо оставить всумматоре, где производилась операция сложения. Тогда для освобождениясумматора требуется дополнительная команда перезаписи числа по требуемому адресу.При сложении двух чисел, хранящихся по адресам A1 и A2,с записьюрезультата, например, в A1 с использованием двухадресной команды, требуется ужечетыре команды:
1) вызов в сумматорчисла, хранящегося по адресу A1;
2) вызов числа,хранящегося по адресу A2, и сложение его с первым числом;
3) стереть число поадресу A1;
4) запись результата поадресу A1.
Таким образом, чем меньшеадресность команд ЭВМ, тем большее число команд требуется для составления однойи той же программы работы машины.
Увеличивая адресностьЭВМ, приходиться увеличивать длину машинного слова, чтобы отвести в немнеобходимые поля для адресной части команд. С увеличением объема памяти ЭВМувеличивается длина поля, необходимого для одного адреса. В то же время не всекоманды полностью используют адресные поля. Например, для команды записи числапо заданному адресу требуется только одно адресное поле.
2.1.2 Системы счисления
Способ представлениячисел посредством числовых знаков (цифр) называется системой счисления. Правилазаписи и действий над числами в системах счисления, используемых в цифровойвычислительной технике, определяют арифметические основы цифровых ЭВМ.
Компоненты системысчисления:
1. Основание системысчисления — количестворазличных цифр (символов), используемых для представления числа.
2. Алфавит системысчисления — символы ицифры, используемые для написания всех разрядов числа.
3. Правила записи ичтения чисел.
Различают два основныхвида систем счисления: непозиционные и позиционные.
Непозиционные системысчисления.
Непозиционные системысчисления характеризуются тем, что значение числа, выражаемое совокупностьюцифр, определяется только конфигурацией цифровых символов и не зависит от местаих положения. Классическим примером непозиционной системы является римскаясистема счисления. Например: ХIX; XXIII.
Позиционные системысчисления.
Наибольшеераспространение получили позиционные системы счисления, в которых значениелюбой цифры определяется не только конфигурацией ее символа, но иместоположением (позицией), которое она занимает в числе.
Среди позиционных системразличают однородные и смешанные (неоднородные) системы счисления.
В однородных системахколичество допустимых цифр для всех позиций (разрядов) числа одинаково.Однородной позиционной системой является общепринятая десятичная системасчисления (q = 10), использующая для записи чисел десять цифр от 0 до9.
Примером смешаннойсистемы счисления может служить система отсчета времени, где в разрядах секунди минут используется по 60 градаций, а в разрядах часов — 24 градации и т. д.
Любое число A, записанноев однородной позиционной системе, может быть представлено в виде суммыстепенного ряда:
/> (2.1.)
где q — основание системы счисления; ai — цифры системы счисления с основанием q; i — номер (вес) позиции (разряда) числа.
Может быть реализованобесконечное множество различных систем счисления. В цифровых вычислительныхмашинах в основном используются однородные позиционные системы. Кромедесятичной системы счисления в ЭВМ находят широкое применение системы соснованием q, являющиеся степенью числа 2, аименно: двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная системы счисления.
При совместномиспользовании различных систем счисления после записи числа может указыватьсяоснование системы, например: 347,4210; 11012; 2358и т. д.
2.1.2.1 Десятичнаясистема счисления
В соответствии с формулой(2.1) позиция цифры в числе определяет степень числа с основанием 10, накоторое эта цифра умножается.
Например: число 534,79можно представить как
/>.
В одном разряде можетбыть представлено десять чисел от 0 до 9. Прибавление единицы к старшей цифре разряда (цифре 9) означает переносединицы в старший разряд, т. е. для записи числа 10 и больших чисел требуетсядва и более разрядов. Число N = m × q p, где m — мантисса числа (m
Это правилораспространяется на все однородные позиционные системы счисления.
2.1.2.2 Двоичная системасчисления
Основание системы q = 2. Для записи чисел используютсядве цифры: 0 и 1. Старший цифрой разряд является 1, поэтому в двоичной системе1 + 1 = 10, так как прибавление единицы к старшей цифре данного разряда даетперенос единицы в старший разряд.
Каждое последующее числобольше данного на единицу, получается в результате прибавления единицы вмладший разряд с соблюдением правил сложения в двоичной системе счисления(табл. 2.1, 2.2).
Анализируя данные втаблице 2.1 следует отметить, что разряды в двоичной системе заполняются оченьбыстро. В силу этого для записи числа в двоичной системе счисления требуетсязначительно больше разрядов, чем в десятеричной. Число 2 и большие числа вдвоичной систем счисления записываются в двух и более разрядах. Согласно ранеерассмотренному правилу число 2 = 21 записывается как 10, число 4 = 22 — как 100 и т. д.
Таблица 2.1Числа Числа
деся-тичные двоичные восьмеричные шестнадца-теричные десятичные двоич-ные восьмеричные шестнадца-теричные
1
2
3
4
5
6
7
8
1
10
11
100
101
110
111
1000
1
2
3
4
5
6
7
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
10000
10001
11
12
13
14
15
16
17
20
21
9
A
B
C
D
E
F
10
11 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Двоичная системасчисления является основной системой представления информации в современныхЭВМ. Почти все вычислительные машины используют либо непосредственно двоичнуюсистему счисления, либо двоичное кодирование какой-либо другой системысчисления, например, десятичной (двоично-десятичный код). Это объясняется тем,что элементы вычислительной машины, средства хранения информации, различающиедва устойчивых состояния (0 и 1), наиболее просты в реализации и надежны вработе. Немаловажное значение имеет также простота реализации правил двоичнойарифметики в ЭВМ (табл. 2.2).
Таблица 2.2Сложение Вычитание Умножение
1
1
1
1
1
1
10
1
1
10
1
1
1
1
0 × 0
0 × 1
1 × 0
1 × 1
1 /> /> /> /> /> /> /> />
При выполненииарифметических действий в двоичной системе счисления следует помнить, чтоединица является старшей значащей цифрой двоичного разряда.
Пример.
/>
Выполняя в заданномразряде вычитание из нуля единицы, следует занять единицу из старшего значащегоразряда. В результате в младшем разряде образуются две единицы. Операцияумножения сводится к многократному сложению и сдвигу. При выполнении деленияиспользуются правила умножения и вычитания.
2.1.2.3 Восьмеричнаясистема счисления
Основание системы q = 8.Для записи чисел используется восемь цифр от 0 до 7. В силу того что основаниевосьмеричной системы является третьей степенью числа 2, то для представленияодного восьмеричного разряда требуется три значащих двоичных разряда (триада).Таким образом, для записи чисел в восьмеричной системе счисления требуется в 3раза меньше разрядов, чем в двоичной системе (табл. 2.1).
Восьмеричная системасчисления играет в ЭВМ вспомогательную роль и используется для компактнойзаписи двоичных кодов чисел машинных команд ЭВМ в различных периферийныхустройствах и устройствах подготовки данных. Перевод чисел из двоичной системысчисления в восьмеричную и наоборот осуществляется по триадам согласно второмустолбцу таблицы 2.1 (первые восемь строк, неполные триады дополняются слеванезначащими нулями). Разбиение двоичного числа на триады осуществляется влево ивправо от запятой, отделяющей целую часть числа от дробной. Если крайние триадыполучаются неполными, то они дополняются нулями.
Пример.
/> />
2.1.2.4 Шестнадцатеричнаясистема счисления
Основание системы q = 24= 16. Для записи чисел исполь-зуются шестнадцать цифр, из них первые десять — известные цифрыот 0 до 9. В качестве дополненных цифр используются заглавныелатинские буквы A, B, C, D, E и F (табл. 2.1).
Назначениешестнадцатеричной системы счисления аналогично восьмеричной: компактная записьдвоичных кодов чисел и команд. Одному шестнадцатеричному разряду числасоответствует четыре двоичных разряда (тетрада), т. е. шестнадцатеричнаясистема позволяет сократить длину записи числа по сравнению с двоичной в 4раза.
Перевод чисел из двоичнойсистемы в шестнадцатеричную систему и обратно осуществляется по тетрадаманалогично двоично-восьмеричному переводу (табл.2.1). Неполные тетрадыдополняются нулями.
Пример.
/>
2.1.3 Элементыматематической логики
Для описания логикифункционирования аппаратных и программных средств ЭВМ используется алгебралогики, или булева алгебра (по имени ее создателя Дж. Буля).
Булева алгебра оперируетс логическими переменными, которые могут принимать только два значения: истинаили ложь, обозначаемые соответственно 1 и 0. Как отмечалось выше, основнойсистемой счисления в ЭВМ является двоичная система, в которой такжеиспользуются цифры 1 и 0. Таким образом, одни и те же устройства ЭВМ могутприменяться для обработки и хранения как числовой информации, представленной вдвоичной системе счисления, так и логических переменных. Это обусловливаетсравнительную простоту схемной реализации процесса обработки информации в ЭВМ.
Совокупность значенийлогических переменных x1, x2, …, xn называется набором переменных.
Набор логическихпеременных удобно изображать в виде n-разрядного двоичного числа, каждый разряд которого равен значению однойиз переменных. Из таблицы 2.1 видно, что количество возможных наборов в n двоичных разрядах равно 2n.
Логической функцией отнабора логических переменных (аргументов) f(x1, x2 …, xn)называется функция, принимающая только два значения: истина или ложь.
Область определениялогической функции конечна и зависит от числа возможных наборов аргументов.Любая логическая функция может быть задана с помощью таблицы истинности, где влевой части записываются возможные наборы аргументов, а в правой — соответствующие им функции.
В случае большого числааргументов табличный способ задания логической функции становится громоздким итеряет наглядность. Так, уже для шести логических аргументов понадобитсятаблица в 64 строки, поэтому логические функции удобно выражать черездругие более простые логические функции одной или двух переменных, описываемыес помощью простых таблиц.
Совокупности такихэлементарных логических функций (или логических операций), с помощью которыхможно выразить логическую функцию любой сложности, называются функциональнополными системами логических функций.
В этой системе определенытри элементарные логические операции: инверсия (отрицание), конъюнкция(логическое умножение) и дизъюнкция (логическое сложение).
Логические переменные,объединенные знаками логических операций, составляют логические выражения.
При вычислении значениялогического выражения определено следующее старшинство выполнения логическихопераций: сначала выполняется инверсия, затем конъюнкция и в последнюю очередь — дизъюнкция.
Для изменения указанногопорядка используются скобки.
В алгебре логикивыполняются следующие основные законы, позволяющие производить тождественныепреобразования логи-ческих выражений.
1. Коммутативный закон: x1Vx2 = x2 V x1,
x1 ×x2 = x2 ×x1.
2. Ассоциативный закон: x1V (x2 V x3) = (x1 V x2) V x3,
x1 ×(x2 × x3) = (x1 ×x2)× x3.
3. Дистрибутивный закон: x1× (x2 V x3)= x1 × x2 V x1 × x3.
4. Правила де Моргана(теорема двойственности).
5. Правила операций сконстантами 0 и 1.
6. Правила операций спеременной и ее инверсией.
7. Закон поглощения.
8. Закон идемпотентности.
9. Закон двойногоотрицания.
2.1.4 Методы перевода чисел из однойсистемы счисления
в другую
2.1.4.1 Метод прямого замещения
Перевод чисел из двоичнойсистемы счисления в систему с основанием, являющимся степенью числа 2, инаоборот не вызывает трудностей. Это в частности стало причиной широкогоприменения в ЭВМ восьмеричной и шестнадцатеричной систем счисления. Однако можетвозникнуть задача перевода чисел из одной системы счисления в другую спроизвольными основаниями. В этом случае необходимо воспользоваться общимиправилами перевода, которые основаны на определении однородной позиционнойсистемы счисления (2.1).
Число в системе счисленияс основанием q1 расписывается по формуле (2.1) и вычисляется суммаряда, при этом арифметические действия выполняются по правилам системысчисления с основа-нием q2.
Следуя этому правилу,легко перевести числа из двоичной и восьмеричной систем счисления в десятичную.
Пример.
/>
/>
Можно также в отличие отранее рассмотренного метода перевести числа из двоичной системы в восьмеричную,но для этого необходимо вычислять сумму ряда (2.1) по правилам восьмеричнойарифметики. При переводе больших двоичных чисел в десятичные для его упрощения,целесообразно сначала перевести их по триадам в восьмеричные, а затем извосьмеричных в десятичные.
Пример.
/>
2.1.4.1 Метод деления
Если q1 > q2,используются два правила: для целых и дробных чисел.
Если переводятся целыечисла, то необходимо последовательно делить число в системе q1 наоснование системы q2 до тех пор, пока не останется остаток, меньшийили равный q2-1. число в основании q2 записывается какпоследовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начинаяс последнего.
Пример.
/>
Для перевода большихдесятичных чисел в двоичную систему счисления рекомендуется перевести их ввосьмеричные, а затем расписать по триадам.
2.1.4.1 Метод умножения
Пример.
/>
При переводе дробныхчисел необходимо последовательно умножать число в системе q1 наоснование системы q2, отделяя после каждого умножения целую частьпроизведения. Число в системе q2 (после точки) записывается какпоследовательность полученных целых частей произведения. Умножение производитсядо тех пор, пока дробная часть произведения не станет равной нулю илиопределенной степени точности.
При переводе смешанныхчисел отдельно переводятся целая и дробная части, записываемые затем совместно.
2.2Структурная схема ПЭВМ
2.2.1 Состав итехнические характеристики ПЭВМ
2.2.1.1 Понятиеархитектуры
Архитектура компьютераобычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностяммашины, которые можно разделить на основные и дополнительные (рис. 2.6).
Основные функцииопределяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией свнешними объектами.
Дополнительные функцииповышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективныережимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др.
Названные функции ЭВМ реализуютсяс помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.
Функциональныевозможности ЭВМ:
1) ввод программы иданных с клавиатуры, НГМД, НЖМД;
2) вывод программ иданных на экран видеомонитора, НГМД, НЖМД, принтер;
3) арифметическая илогическая обработка информации;
4) корректировка данных,редактирование программ;
5) хранение программ ипромежуточных данных.
В состав типовой ЭВМвходят:
− центральный процессор;
− внутренняя память со своиминтерфейсом;
− устройстваввода-вывода со своим интерфейсом, включающие устройства внешней памяти (НГМД,НЖМД), клавиатура, модуль отображения информации, принтер;
− интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективноевзаимо-действие.
/>
Рис. 2.6. Архитектура ЭВМ
2.2.1.2 Структуракомпьютера
Структура компьютера — это некоторая модель,устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в неекомпонентов (рис. 2.7).
Персональный компьютер(ПК) — это настольная или переносная ЭВМ,удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.
/>
Рис. 2.7. Структурнаясхема персонального компьютера
Достоинствами ПКявляются:
− малая стоимость, находящаяся впределах доступности для индивидуального покупателя;
− автономность эксплуатации безспециальных требований к условиям окружающей среды;
− гибкость архитектуры, обеспечивающаяадаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науке,образовании, быту;
− «дружественность»операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающаявозможность работы с ней пользователя без специальной, профессиональнойподготовки;
− высокая надежность работы.
2.2.2 Состав иназначение основных блоков и узлов ПЭВМ
2.2.2.2 Назначениеосновных устройств ЭВМ
1. Микропроцессор — это центральный блок ЭВМ,предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполненияарифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессоравходят:
− устройство управления (УУ),формирующее и подающее во все блоки машины в нужные моменты определенныесигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемойоперации и результатами предыдущей операции. МП формирует адреса ячеек памятиоперандов, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса всоответствующие блоки ЭВМ;
− арифметико-логическое устройство(АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операцийнад числовой и символьной информацией;
− микропроцессорная память (МПП) служитдля кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственноиспользуемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины;
− интерфейсная система микропроцессорареализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК. Включает в себявнутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры, схемы управленияпортами ввода-вывода (ПВВ) и системную шину.
2. Генератор тактовыхимпульсов генерирует последовательность электрических импульсов, их частотаопределяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени междусоседними импульсами определяет время одного такта работы машины или простотакт работы машины.
Частота генераторатактовых импульсов является одной из основных характеристик персональногокомпьютера и во многом определяет скорость его работы.
3. Основная память (ОП)предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блокамимашины.
ОП содержит два видазапоминающих устройств: постоянное запоминающие устройство (ПЗУ) и оперативноезапоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранениянеизменяемой (постоянной) программы и справочной информации, что позволяетоперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию вПЗУ нельзя). ПЗУ является энергонезависимым.
ОЗУ предназначено дляоперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных),непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе,выполняемом ПК в текущий период времени.
Главными достоинствамиоперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения ккаждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке).
В качестве недостатка ОЗУследует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключенияпитания машины, т. е. энергозависимость.
4. Внешняя памятьотносится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранениялюбой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач.
Во внешней памятихранится все программное обеспечение компьютера. Она содержит разнообразныевиды запоминающих устройств. Наиболее распространенными, имеющимися практическив любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД)магнитных дисках.
В качестве устройствавнешней памяти используются также запоминающие устройства: на кассетноймагнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory — компакт-диск с памятью, толькочитаемой) и др.
5. Источник питания — это блок, содержащий системыавтономного и сетевого энергопитания ПК.
6. Таймер — внутримашинные электронные часы,обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени(год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается кавтономному источнику питания — аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
7. Внешние устройства(ВУ) — важнейшая составная часть любоговычислительного комплекса. Достаточно сказать, что стоимость ВУ иногдасоставляет 50-80 % стоимостивсего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность иэффективность применения ПК в системах управления и народном хозяйстве в целом.
ВУ ПК обеспечиваютвзаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управленияи другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы поряду признаков.
По назначению ВУ можноразделить:
— на внешние запоминающие устройства(ВЗУ), или внешнюю память ПК;
— диалоговые средства пользователя;
— устройства ввода информации;
— устройства вывода информации;
— средства связи и телекоммуникации;
— средства мультимедиа.
Внешние запоминающиеустройства были рассмотрены ранее.
Диалоговые средствапользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовыепишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-выводаинформации.
К устройствам вводаинформации относятся:
— клавиатура — устройство для ручного вводачисловой, текстовой и управляющей информации в ПК;
— графические планшеты (диджитайзеры) — для ручного ввода графическойинформации путем перемещения по планшету специального указателя (пера);
— сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания сбумажных носителей информации и ввода в ПК машинописных текстов, графиков,рисунков, чертежей;
— манипуляторы (устройства указания):джойстик, мышь, трекбол (шар в оправе), световое перо и др. — для ввода графической информации наэкран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующимкодированием координат курсора и вводом их в ПК;
— сенсорные экраны — для ввода отдельных элементовизображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
К устройствам выводаинформации относятся:
— принтеры — печатающие устройства для переносаинформации на бумажный носитель информации;
— графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации(графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель;
Устройства связи ителекоммуникации используются для связи с приборами, другими средствамиавтоматизации и для подключения ПК к каналам связи.
Средства мультимедиа — это комплекс аппаратных ипрограммных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используясамые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты,анимацию и др.
К средствам мультимедиаотносятся устройства речевого ввода и вывода информации, высококачественныевидео- и звуковые платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающиеизображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями,звуковыми колонками, большими видеоэкранами. С большим основанием к средстваммультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости наоптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
Дополнительные схемы.
К системной шине и к МППК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторыедополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающиефункциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор,контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллерпрерываний и др.
Математическийсопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций наддвоичными числами с плавающей точкой, двоично-кодированными десятичными числамидля вычисления некоторых трансцендентных функций.
Математическийсопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным МП, нопод управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз.Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в своюструктуру.
Контроллер прямогодоступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитныхдисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без контроллераобмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличииданные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.
Сопроцессор ввода-выводаза счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедурввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера,НЖМД, НГМД и др.), освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в томчисле реализует режим прямого доступа к памяти.
Контроллер прерываний.
Прерывание — это временный останов выполненияодной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент болееважной (приоритетной), программы.
В ЭВМ используются тривида прерываний: аппаратные, пользовательские, программные.
Прерывания возникают приработе компьютера постоянно. Все процедуры ввода-вывода информации выполняютсяпо прерываниям. Например: прерывания от таймера возникают и обслуживаютсяконтроллером прерываний 18 раз в секунду.
Контроллер прерыванийобслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешнихустройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигналпрерывания в МП. Получив этот сигнал, МП приостанавливает выполнение текущейпрограммы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания тогопрерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программыобслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллерпрерываний является программируемым.
Системная шина — это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связи всех его устройств междусобой. Она включает в себя (рис. 2.8):
/>
Рис. 2.8. Структурасистемной шины
− кодовую шину данных (КШД), содержащуюпровода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разделов числовогокода (машинного слова) операнда;
Системная шинаобеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессороми основной памятью;
2) микропроцессором ипортами ввода-вывода внешних устройств;
3) основной памятью ипортами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки (их портыввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки)подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры(адаптеры).
Управление системнойшиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще,через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналыуправления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шинойвыполняется с использованием ASCII-кодов.
Конструктивно ПКвыполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемыподключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура,дисплей, принтер и др.
Системный блок обычновключает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемыдля дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерамивнешних устройств.
На системной плате (частоее называют материнской платой – Mouther Board) размещаются: микропроцессор,математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки (микросхемы)ОЗУ и ПЗУ, адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД, контроллер прерываний, таймер идр.
2.2.3 Внутримашинныйсистемный интерфейс
Внутримашинныйсистемный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМмежду собой – представляет собойсовокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения скомпонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразованиясигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.
1.Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан спрочими блоками своими локальными проводами. Он применяется только в простейшихбытовых ПК.
2.Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую илисистемную шину.
Вподавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейсаиспользуется системная шина. Ее важнейшими функциональными характеристикамиявляются: количество обслуживаемых устройств и пропускная способность, т. е.максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шинызависит от разрядности (8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которойона работает. В качестве системной шины в разных ПК используются:
− шинырасширений, или шины общего назначения, позволяющие подключать большое числосамых разнообразных устройств;
− локальные шины,специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройствопределенного класса.
Сравнительные техническиехарактеристики некоторых шин приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 Основные характеристики шинПараметр ISA EISA MCA VLB PCI Разрядность шины, бит данных 16 32 32; 64 32; 64 32; 64 адреса 24 32 32 32 32 Рабочая частота, МГц 8 833 1020 до 33 до 33 Пропускная способность, Мбайт/с теоретическая 4 33 76 132 132; 264 практическая 2 8 20 80 50; 100 Число подключаемых устройств, шт. 6 15 15 4 10
Шинырасширений
ШинаMultibus имеет две модификации: PC/XT bus (Personal Computer eXtended Technology – ПКс расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology – ПКс усовершенствованной технологией).
ШинаPC/XT bus – 8-разряднаяшина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямогодоступа в память (DMA – Direct Memory Access). Шина адресаограничивает адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт;используется с МП 8086,8088.
ШинаPC/AT bus – 16-разряднаяшина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочаятактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий дляаппаратных прерываний и 4 канала DMA; используетсяс МП 80286.
ШинаISA (Industry Standard Architecture – архитектурапромышленного стандарта) – 16-разряднаяшина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, номожет использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деленияувеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличеноколичество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа кпамяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адресноепространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способностьшины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже (около 4–5 Мбайт/с) ввидуряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростныхМП шина ISA стала существенным препятствием увеличениябыстро-действия ПК.
Шина EISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайт, пропускная способность 33Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу микропроцессорной КЭШ-памятиопределяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений(теоретически может подключаться до 15 устройств, практически – до 10); улучшена система прерываний, шина EISA обеспечиваетавтоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA (есть разъемдля подключения ISA), поддерживает многопроцессорную архитектурувычислительных систем; весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевыхсерверах и рабочих станциях.
ШинаМСА (Micro Channel Architecture) – 32-разряднаяшина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 МГц, посвоим прочим характеристикам близка к шине EISA, но несовместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМPS/2 не получили широкого распространения из-за отсутствия наработанногообилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко.Локальные шины
Современныевычислительные системы характеризуются:
− стремительнымростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдаватьданные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторыхвнешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео свысоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);
− появлениемпрограмм, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций(например, программы обработки графики в Windows, работа всреде Multimedia).
Пропускнойспособности шин расширения ПК, обслуживающих одновременно несколько устройств,оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, так как компьютерыстали подолгу «задумываться».
Разработчикиинтерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственнок шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей егочастоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношениюк МП устройствами, основной и внешней памятью, видеосистемами и др.
Внастоящее время существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и РСI.
ШинаVLB (VESA Local Bus – локальнаяшина VESA) разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA – Video Electronics Standards Association), поэтомучасто ее называют шиной VESA.
ШинаVLB по существу является расширением внутренней шины МП для связи свидеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевымадаптером. Разрядность шины 32 бит, на подходе 64-разрядный вариант шины.Скорость передачи данных по VLB 80 Мбайт/с (теоретическидостижимая скорость 132 Мбайт/с).
Недостаткишины:
1) рассчитана наработу с МП 80386, 80486, пока не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;
2) жесткаязависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитанатолько на конкретную частоту);
3) малоеколичество подключаемых устройств (к шине VLB могутподключаться только четыре устройства);
4) отсутствуетарбитраж шины (могут быть конфликты между подключаемыми устройствами).
ШинаРСI (Peripheral Component Interconnect – соединениевнешних устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel.
ШинаРСI является намного более универсальной, чем шина VLB, имеет свойадаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП (80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.); онапозволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностьюавтоконфигурирования, имеет свой арбитраж, средства управления передачейданных. Разрядность РСI 32 бита с возможностью расширения до64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовомварианте – 263 Мбайт/с (реальная – вдвое ниже).
ШинаРСI, хотя и является локальной, выполняет многие функции шины расширения, вчастности, шин расширения ISA, EISA, МСА (онасовместима с ними) при наличии шины РСI подключаются не непосредственнок МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самойшине РСI (через интерфейс расширения).
Конфигурациясистем с шиной РСI показана на рисунке 2.9. Следует иметь в виду,что использование в ПК шин VLB и РСI возможнотолько при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнскойплаты. Выпускаются материнские платы с мульти-шинной структурой, позволяющейиспользовать ISA/EISA, VLB и РС1, такназываемые материнские платы, с шиной VIP (по начальнымбуквам VLB, ISA и РС1).
Локальныешины IDE (Integrated Device Electronics), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используютсячаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.
/>
Рис.2.9. Конфигурация системы с шиной PCI
2.1.4 Функциональныехарактеристики ПЭВМ
Основнымихарактеристиками ПК являются:
1.Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерениябыстродействия служат:
− МИПС (MIPS – Mega Instruction Per Second) – миллионопераций над числами с фиксированной запятой (точкой);
− МФЛОПС (MFLOPS – Mega FLoating Operations Per Se-cond) – миллионопераций над числами с плавающей запятой (точкой);
− КОПС (KOPS – Kilo Operations Per Second) – длянизкопроизводительных ЭВМ тысяча неких усредненных операций над числами.
Оценкапроизводительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются нанекоторые усредненные или, наоборот, конкретные виды операций. Реально прирешении различных задач используются и различные наборы операций, поэтому дляхарактеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту,более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операциятребует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Знаятактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любоймашинной операции.
2.Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.
Разрядность– это максимальное количество разрядов двоичногочисла, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в томчисле и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочихравных условиях, будет больше и производительность ПК.
3.Типы системного и локальных интерфейсов.
Разныетипы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узламимашины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные ихвиды.
4.Емкость оперативной памяти.
Емкостьоперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт), реже вкилобайтах (кбайт): 1 Мбайт = 1024 кбайт = = 10242 байт.
Многиесовременные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайтпросто не работают либо работают, но очень медленно.
Следуетиметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза помимо всегопрочего дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложныхзадач примерно в 1,7 раза.
5.Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера) измеряется обычно вмегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = = 1024 Мбайт).
6.Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.
Внастоящее время применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках,использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм) и емкостью 1,44 Мбайт.
7.Виды и емкость кэш-памяти.
Кэш-память– это буферная, не доступная для пользователя быстродействующаяпамять, автоматически используемая компьютером для ускорения операций синформацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах.Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистроваякэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или внемикропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускоренияопераций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электроннойпамяти.
Следуетиметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 кбайт увеличиваетпроизводительность ПК примерно на 20 %.
8.Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
9.Тип принтера.
10.Наличие математического сопроцессора.
Математическийсопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичнымичислами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.
11.Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.
12.Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ, означающаявозможность использования на компьютере тех же технических элементов ипрограммного обеспечения, что и на других типах машин соответственно.
13.Возможность работы в вычислительной сети.
14.Возможность работы в многозадачном режиме. Этот режим позволяет выполнять вычисленияодновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или длянескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времениработы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяетзначительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.
15.Надежность.
Надежность– это способность системы выполнять полностью иправильно все заданные ей функции. Она измеряется обычно средним временемнаработки на отказ.
16.Стоимость.
17.Габариты и масса.
2.2 Микропроцессоры
Появление и развитие ЭВМв мировой практике связано с бурным прогрессирующим совершенствованиемэлементной базы цифровой электроники. К настоящему времени человеческая мысльсоздала и освоила четыре поколения ЭВМ. На очереди появление ЭВМ пятогопоколения – машин искусственного интеллекта.
С начала 70-х гг. вразвитии вычислительной техники определились два параллельных ивзаимодействующих направления:
− разработка ЭВМ с фиксированнойструктурой и системой команд на основе интегральных микросхем (ИМС) средней ибольшой степени интеграции;
− разработка семействамикропрограммируемых больших интегральных схем (БИС), обеспечивающих созданиепроцессоров ЭВМ различной архитектуры.
Такиемикропрограммируемые БИС стали называться микропроцессорами (МП). Первое сообщениео разработке МП опубликовано фирмой INTEL (США) в 1971 гг.
Появлениемикропроцессоров привело к освоению принципиально новых направлений вразработке и применении компьютерной техники.
К концу 70-х гг.наметился некоторый отход науки от проблем создания высокопроизводительныхуниверсальных ЭВМ, имеющих значительную стоимость, внушительные весогабаритныепоказатели, большое энергопотребление и материалоемкость, к проблемам освоениямикропроцессорной техники. Микропроцессоры стали массовой продукцией электроннойпромышленности.
Создание МП по правусчитается одним из крупнейших достижений современной микроэлектроники.
Микропроцессоромназывается программно-управляемое устройство, предназначенное для обработкицифровой информации и управления этим процессом, реализованное в виде одной илинескольких БИС – сверхбольших БИС (СБИС).
Преимущества МП:
1. Низкоеэнергопотребление.
2. Малаяматериалоемкость.
3. Высокаятехнологичность и надежность.
4. Широкие функциональныевозможности.
5. Гибкость и точность цифровойобработки сигналов при постоянно снижающейся стоимости.
Все это стало причиной иследствием внедрения МП в самые разнообразные сферы человеческой деятельности.Они являются теми системными элементами, на основе которых создаются устройствапромышленной автоматики, связи, измерительной техники и устройства управлениябытовой автоматикой, другой аппаратурой различного назначения.
С появлением МП сталовозможным создание мобильных высокоэффективных специализированных микроЭВМ,профессиональных и персональных компьютеров.
МП является базовымэлементом, обладающим всеми свойствами процессора ЭВМ, но в микроминиатюрномисполнении.
Преимуществамикропроцессоров по сравнению с процессорами ЭВМ позволили приблизить средстваобработки информации к ее источникам, а средства управления – к местамприложения управляющих воздействий.
В последнее время МПстали проникать в аппаратные средства связи. На их основе реализуютсяспециализированные бортовые ЭВМ комплексов РРС и ТРС, аппаратных управленияузлами связи и системой связи, кроссовыми аппаратными опорных УС, а такжеизмерительная и диагностирующая аппаратура.
Внедрениемикропроцессоров в системы управления и связи позволили существенно улучшить ихфункциональную надежность, помехоустойчивость, быстродействие и другиеэксплуатационные показатели. Применение МП в РЭС позволило широко использоватьпринципы программируемой логики, заключающейся в том, что все преобразованияинформации осуществляются по программе, записанной в памяти и реализующейзаданный алгоритм функционирования РЭС.
Внедрениемикропроцессоров в технические системы привело к революции не только втехнологии микроэлектроники, но и в мышлении современного инженера, посколькупроектирование и эксплуатация систем с МП требует качественно нового подхода.
Видоизменились задачиподготовки специалистов связи, от которых теперь требуются знания и в областифункционирования микропроцессоров, и в области их программирования.
2.3.1 Типы и структурамикропроцессоров
2.3.1.1 Основныехарактеристики МП
1. Разрядность. Под нейпонимается стандартная длина слова, с которым оперируют составные части МП.
МП бывают с фиксированнойи с изменяемой разрядностью слова. При фиксированной разрядности наиболеераспространены МП с длиной слова 8 и 16 бит. Во втором случае возможнопостроение 8-, 16-, 24-, 32-разрядных МП из секций разрядностью 2, 4 и 8.
2. Производительность.Определяется временем решения ряда тестовых задач и зависит от быстродействиявыполнения простых операций.
3. Система командявляется отличительным признаком для любого МП. Она отражает функциональныевозможности устройства. Система команд МП может содержать как малое числокоманд (восемь), так и большое число (до двухсот) основных команд. Составкоманд не является нормализованным.
4. Объем адресуемой памятихарактеризует информационные возможности МП и к настоящему времени достигаетсотен гигабайт, что было доступно ранее только универсальным ЭВМ.
2.3.1.2 Типовая структурамикропроцессора
Типовая структура МП(рис. 2.10):
− арифметико-логическое устройство (АЛУ);
− блок внутренних регистров;
− устройство управления;
− внутренняя шина данных – для передачиданных между этими блоками.
Назначение составныхчастей микропроцессора:
1. Арифметико-логическое устройство(АЛУ) выполняет одну из главных функций МП: обработку данных. Перечень функцийАЛУ зависит от типа МП. Они определяют архитектуру МП в целом. В большинстве МПперечень функций АЛУ ограничивается функциями сложения, вычитания, логическимиоперациями: и, или, не, исключающее или, сдвиг вправо или влево, положительныеи отрицательные приращения.
/>
Рис. 2.10. Структурнаясхема микропроцессора 8086/8088
2. Важная составная часть МП – регистры,каждый из которых можно использовать для хранения одного слова данных. Частьрегистров имеет специальное назначение, другая – многоцелевое. Последниерегистры называются регистрами общего назначения (РОН) и могут использоватьсяпрограммистами по их усмотрению.
Назначение основныхрегистров
Аккумулятор – это главныйрегистр МП. Большинство операций выполняется с использованием только АЛУ иаккумулятора, в котором размещается одно из слов, участвующих в операции, атакже результат операции. Аккумулятор используется для передачи данных из однойчасти МП в другую, например, из порта ввода-вывода в память, между двумяобластями памяти и т. д.
В аккумуляторе МП могутвыполняться некоторые действия непосредственно над данными. Это операцииочистки или установки всех единиц, инверсии и сдвигов. Данные в него поступаютс внутренней шины данных МП. Количество разрядов аккумулятора соответствуетразрядности МП. Однако в ряде случаев аккумуляторы имеют двойную длинуразрядов. Дополнительные разряды используются для размещения данных,появляющихся при выполнении некоторых арифметических операций. Так, приумножении двух 8-битовых слов результат – 16-битовый, он полностью размещаетсяв аккумуляторе.
Счетчик команд – один изнаиболее важных регистров МП.
Программа – этопоследовательность команд, хранимых в памяти ЭВМ и предназначенных дляуправления действиями машины. Для корректного выполнения программы командыдолжны поступать в строго определенном порядке. Когда МП начинает работать, топо команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из памяти –адрес, указывающий на первую команду программы. Этот адрес посылается поадресной шине к схемам управления памятью, откуда считывается команда поданному адресу и пересылается в регистр команд.
Регистр команд храниткоманду во время ее дешифрования и выполнения. Входные данные поступают в этотрегистр из памяти по мере последовательной выборки команд. Кроме того, врегистр команд данные могут быть записаны с помощью пульта управления ЭВМ.
Регистр адреса памятиуказывает адрес в области памяти, подлежащей использованию микропроцессором.Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбораобласти памяти или порта ввода-вывода.
В течение выборки командыиз памяти регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое содержимое.После декодирования команды счетчика команд в нем производится приращение вотличие от регистра адреса.
Буферный регистрпредназначен для временного хранения данных.
Регистр состоянияпредназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в ходевыполнения программы. Его разряды содержат информацию, по которой проверяетсяестественная последовательность выполнения программы после выполнения командусловных переходов. Регистр состояний предоставляет программисту возможностьорганизации работы МП так, чтобы при определенных условиях менять порядоквыполнения команд.
Регистры общегоназначения (РОН) имеют в своем составе набор регистров для запоминания данных.АЛУ может выполнять операции с содержимым РОН (инверсия, сдвиг и т. д.) безвыхода на внешнюю магистраль адресов и данных, чем обеспечивается высокоебыстродействие.
Указатель стека. Стек –это набор регистров МП или ячеек оперативной памяти, откуда данные выбираются«сверху», т. е. по принципу «последним пришел – первымвышел». При записи в стек очередного слова все записанные ранее словасмещаются на один регистр вниз, как патроны в магазине автомата при егоснаряжении.
3. Схемы управления обеспечиваютподдержание требуемой последовательности функционирования всех звеньев МП.
По сигналам схемуправления очередная команда извлекается из регистра команд. При этомопределяется, что необходимо делать с данными, а затем обеспечивается самодействие.
Главной функцией схемуправления является декодирование команды, находящейся в регистре команд, спомощью дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимыедля ее выполнения.
4. Система шин МП.
Система шин обеспечиваетсвязь устройств микропроцессора между собой и с внешней средой.
2.3.1.3Программно-логическая модель центрального
процессора
На рисунке 2.11 показаналогическая организация МП Intel 8086 (КР1810ВМ86). Он широко применяется вПЭВМ семейств IBM PC, IBM PC/XT, PCjr, PS/2 (модели 25, 30). Некоторые изперечисленных машин построены на базе МП Intel 8088, который отличаетсяколичеством внешних линий данных (имеются и другие отличия, например сокращениедлины очереди команд, но они не могут считаться принципиальными).
В составе МП имеется 14программно-доступных регистров. Он манипулирует логическими адресами,содержащими 16-раз-рядный сегментный (базовый) адрес и 16-разрядноевнутрисегментное смещение. Сегментные адреса находятся в одном из четырехрегистров: CS – код (программа); DS – данные, SS – стек; ES – экстракод(дополнительные данные).
В состав блока регистровобщего назначения (РОН) входят восемь 16-разрядных регистров, из них четыре(SP, BP, SI, DI) предназначены для хранения внутрисегментных смещений. Все РОНучаствуют в выполнении арифметических и логических операций, представляяоперанды и фиксируя результат.
Регистр адреса команд(счетчик адреса) IP используется для выбора команд программы в текущем сегментекода CS.
Особо необходимо отметитьназначение регистра признаков (флагов).
Как уже отмечалось,регистр признаков (флагов) предназначен для хранения данных о различныхситуациях, возникающих в программе. Младший байт регистра признаковустанавливается арифметическими или логическими операциями МП:
− признак SF принимает единичное значение при отрицательном и нулевоезначение при положительном результате;
− флаг ZF принимает значение«1» при нулевом результате последней операции;
− PF устанавливает «1», еслирезультат последней операции имеет четное число единиц;
− признак CF используется для различныхцелей. Он устанавливает «1» при сложении 16-битовых чисел в случаевозникновения переноса и при вычитании аналогичных чисел для указаниянеобходимости заема «1» из старшего разряда. Программа можетиспользовать этот флаг для определения соотношения двух чисел: /> и />. Если выполняетсяоперация /> иCF = 1, то /> (еслиCF = 0, то />);
− признак AF позволяет МП выполнятьоперации десятичной арифметики, когда данные хранятся в двоично-десятичномкоде;
− флаг переполнения OF показывает, чторезультат арифметической операции вышел за пределы диапазона чисел,представленных в дополнительном коде.
Остальные признакирегистра устанавливаются программистом:
− если IF = 0, то никакие внешниепрерывания (за исключением немаскируемых) не смогут возникнуть;
− после занесения в TF единицы призавершении каждой команды возникает прерывание работы МП. Это помогает на этапеотладки программы;
− когда IF = 1, МП будет реагировать навнешние прерывания;
− признак DF используется при обработкеблоков данных.
Для указания объектов(байтов или слов) в каждом блоке применяются индексные регистры. Послеобработки объекта МП изменяет содержимое индексных регистров для выбораследующего элемента данных:
− если DF = 0, то команды, работающие сблоками, увеличивают содержимое индексных регистров, при DF = 1 содержимое этихрегистров уменьшается.
/>
Рис. 2.11. Логическаяорганизация МП Intel 8086
Шесть 8-разрядныхрегистров очереди команд являются программно-недоступными. Они организованы попринципу «первый пришел – первый вышел».
Схемы управлениякоординируют работу МП.
Арифметико-логическоеустройство (АЛУ) выполняет арифметически и логические операции над различнымиоперандами.
2.2.1.4 Особенностипроцессоров фирмы Intel
В 1969 г. компания Biscom заключила контракт с тогда ещемалоизвестной фирмой Intel на разработку комплекта микросхем для калькуляторов.Разработчики применили новый подход и спроектировали универсальную микросхему –процессорный элемент, который заменил собой большое количество дискретныхкомпонентов. Он составил основу созданного набора из четырех микросхем. ФирмаIntel выкупила у Biscom права наэту микросхему и, немного усовершенствовав, в 1971 г. выпустила ее под индексом i4004. С этого скромного 4-разрядногопроцессорного элемента, содержавшего на кристалле 2 300 транзисторов и имевшегопроизводительность 60 тыс. операций в секунду, началась эпохамикропроцессоров. Позже появилось устройство под номером i8008. Оно имело 8 линий данных и попроизводительности превосходило i4004в несколько раз.
Первыммикропроцессором, на базе которого был построен компьютер, стал i8080. Он был выпущен в 1974 г., имел 8-раз-рядную шину данных и 16-разрядную шину адреса. Для него была разработана простаяи удобная система команд на 256 операций.
В целяхпостроения на его основе компактной компьютерной системы был разработан целыйкомплект сопутствующих микросхем и специализированных программируемыхпериферийных контроллеров. Каждая из этих микросхем заменяла целый компьютерныйблок, и их применение при разработке вычислительных устройств позволило резкоуменьшить их размеры.
В 1979 г. фирма Intel открыла следующую страницу в истории микропроцессоров. Она предложила на судпользователей процессор i8086,значительно отличавшийся от предшественников, которому суждено было статьродоначальником целого направления среди микропроцессоров.
МП i8086 имел 16-разрядную внутреннююархитектуру, внешнюю шину данных той же разрядности, 20-разрядную шину адреса,позволявшую работать с адресным пространством в 1 Мбайт. В нем была реализованановая система команд, не совместимая с набором МП 8080.
Дляобеспечения функционирования МП i8086фирма выпустила набор сопутствующих микросхем и программируемых контроллеров,продолжая серию, начатую для МП 8080.
Черезгод фирма представила модель процессора i8088 с той же 16-разрядной архитектурой, но с 8-разряднойвнешней шиной данных. Начальные модификации МП работали с частотой 4,77 МГц, упоследующих она была повышена до 8 МГц. Знаменитым этот кристалл сделало то,что фирма IBM выбрала его для создания своего первогокомпьютера массового применения PC, апозднее и PC XT.
ПроцессорIntel 80286. Выпущен в 1984 г., имел 16-разрядную внутреннюю архитектуру,16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную внешнюю шину адреса. Увеличениеразрядности шины адреса увеличило адресное пространство до 16 Мбайт. Для негоразработан математический сопроцессор i80287. На базе процессора 80286 построен компьютер PC AT.
Этотпроцессор может работать в двух режимах:
− в рабочем («реальном») онведет себя как процессор 8088 с расширенным набором команд и поэтому можетиметь доступ только к первому мегабайту памяти;
− в «защищенном» режимеработы процессор имеет 24-раз-рядную адресную шину, что в 3 раза больше, чем упроцессора 8088, следовательно, в «защищенном» режиме он может иметьдоступ непосредственно к 16 Мбайт памяти.
Процессор Intel 80386DX.Замечательной особенностью этого процессора является его 32-разряднаяархитектура: 32 линии передачи данных и 32 адресные линии. Таким образом,этот процессор может параллельно передавать 4 байт данных и адресоватьоперативную память объемом до 4 Гбайт. Компьютеры, оснащенные такимипроцессорами, могут удовлетворить высоким требованиям, предъявляемым куправлению программами и большими массивами данных.
Другими преимуществамипроцессора 80386, по сравнению с процессором 80286, являются доступ красширенному набору команд и использование системы мультипрограммирования.Одновременно может выполняться несколько прикладных программ. Еще однопреимущество работы процессора 80386 – это «виртуальный» режим,раскрывающий истинные достоинства этого процессора. В «виртуальном»режиме одновременно могут быть запущены несколько программ, которые выполняютсякак бы различными процессорами 8088, т. е. становится возможным многозадачныйрежим, реализуемый с помощью разработанной для процессоров 8088 операционнойсистемы MS-DOS.
Процессор Intel 80486 DX.Этот 32-разрядный процессор работает с тактовой частотой до 50 МГц до появленияпроцессора Pentium представлял собой самый совершенный процессор из семействаIntel 8086. В апреле 1989 г. он был представлен на широкое обозрение и ужеполгода спустя в больших количествах стал доступен изготовителям компьютеров.По сравнению с предшественником (80386) процессор 80486 имеет большую скоростьобработки основных команд, использует новый улучшенный интерфейс с оперативнойпамятью и встроенный сопроцессор. Повышение производительности процессора 80486обусловлено рядом усовершенствований, в том числе встроенным сопроцессором иинтегрированной кэш-памятью объемом 8 кбайт. Размещение сопроцессора наобщем чипе в отличие от прежних моделей, основанных на использованиицентрального процессора и дополнительного сопроцессора, имеет многопреимуществ.
Процессор Pentium.Pentium 60 с тактовой частотой 66 МГц представляет собой суперскалярный32-разрядный процессор, построенный по субмикронной технологии скомплементарной МОП-структурой (0,8 мкм) и состоящий из 3,1 млн транзисторов.Он поддерживает команды процессора 80486 и, подобно предшественнику, имеетвнутренний блок для проведения операций с плавающей точкой, а также кэш-памятьна 16 кбайт, устройство управления па-мятью (MMU) и интеллектуальный буфер –предсказания ветвлений (branch target buffer).
Процессор Pentium имеетдва 32-битовых адресных пространства (логическое и физическое) и 64-разряднуюшину данных, что объясняет отчасти повышение производительности процессора. Приэтом центральный процессор имеет две конвейерные линии обработки команд,работающие параллельно и тем самым позволяющие процессору выполнять два наборакоманд за один такт. Благодаря разделению кэш-памяти (8 кбайт для команд и 8кбайт для данных) исключаются наложения команд данных.
2.4 Запоминающиеустройства
2.4.1 Организацияоперативной памяти
2.4.1.1 Организациядоступа памяти в Intel-совместимых процессорах
Местоположение любогобайта внутри адресного пространства размером в 1 Мбайт микропроцессора 8086определяется двумя величинами: адресами сегмента и смещения, формирующимисегментный адрес.
МП манипулирует логическими адресами, содержащими 16-разрядный сегментный (базовый) адрес и16-разрядное внутрисегментное смещение. Механизм сегментации предполагаетразбиение всего адресуемого пространства на области (сегменты) по 64 кбайт каждая.
Физический адрес (рис.2.12) получается из адреса сегмента и
/>
Рис. 2.12. Вычислениефизического адреса в реальном режиме
процессора 8086
смещения следующимобразом: над адресом сегмента выполняется операция арифметического сдвига влевона 4 бит (к двоичному представлению числа справа дописывается 4 нулевых бита),а затем к полученному числу прибавляется значение смещения.
Сегментация памяти впроцессоре 8086 обладает следующими особенностями, которые можно считать еенедостатками с точки зрения разработчиков многозадачных систем:
1. Сегменты памяти имеютвсего два атрибута: начальный адрес и максимальный размер 64 кбайт. Никакихаппаратных средств контроля правильности использования сегментов нет.
2. Размещение сегментовпамяти произвольно: они могут частично или полностью перекрываться (посколькуначальный адрес сегмента совпадает с адресом параграфа, кратного 16) или неиметь общих областей.
2.4.1.2 Области памятиIBM-совместимых персональных
компьютеров
Своипервые компьютеры фирма IBMспроектировала на базе МП J8086/88.Процессор имел адресное пространство 1 Мбайт, что в сравнении с 64 кбайт у егопредшественника МП 08080 было очень много. Адресное пространство было разделенона две области (рис. 2.13).
/>
Рис. 2.13. Логическаяструктура адресного пространства ПК класса XT
Назначениеобластей оперативной памяти:
1. Базовая память (Conventional Memory Area – CMA)располагается по адресам от 0000h до FFFFh (здесь и далее числа h на концепредставлены в шестнадцатеричной системе счисления), т. е. имеет размер 640кбайт. В ней может размещаться резидентная часть MS-DOS, а также резидентные инерезидентные программы пользователя, которым размера CMA достаточно дляработы. В ней могут размещаться как коды исполняемых программ, так и данные кним.
2.Верхняя память (Upper Memory Area – UMA)располагается по адресам с 10000h по FFFFFh (от 640 кбайт до первогомегабайта), ее размер составляет 384 кбайт, без специальных драйверов она недоступна. В базовой памяти выделены рабочие области для операционной системы,размещения драйверов и пользовательских программ.
Адресноепространство в 1 Мбайт – это совсем немного, а процессоры Intel 8086/88 могли работать только с1-мегабайтным адресным пространством. Возникла необходимость организациидополнительного объема памяти вне этой области. За решение данной задачивзялись совместно фирмы Lotus,Intel, Microsoft. Результатом их деятельности сталаспецификация доступа к дополнительной памяти LIM EMS (Lotus,Intel, Microsoft Expanded Memory Specification). Был разработан стандарторганизации дополнительной памяти (Expanded Memory Specification – EMS). EMSверсии 3.2 обеспечивала поддержку 8 Мбайт дополнительной памяти, a EMS версии 4.0 обеспечивала поддержку 32 Мбайт.
Был предложенмеханизм создания дополнительной памяти (EMA), находящейся вне адресного поля. Для ее построения всистемный разъем вставляется плата, содержащая дополнительный объем памяти(рис. 2.14).
Следующий процессорi80286 имел 16-мегабайтное адресное пространство. Весь объем ОЗУ«выше» одного мегабайта получил название расширенной памяти (XMA) (рис. 2.15). Использованиерасширенной памяти получило название стандарта (XMS). К моменту появления процессора уже был накоплендовольно большой объем программного обеспечения. Для того чтобы новый МП могего использовать, в пределах первого мегабайта ОЗУ он должен был работать также, как и его предшественник. Исходя из этого процессор построен таким образом, что он может функционировать в двух режимах:
− реальный, когдаон работает как обычный i8086/88;
− защищенный,позволяющий ему вести обмен с расширенной памятью.
Поддержка этих двух режимов сохраненаво всех последующих моделях процессоров.
Позжеобнаружилась возможность обращения к первым 64 кбайт расширенной памяти,не выходя из реального режима. Этот участок адресного пространства получилназвание «область старшей памяти» (HMA), или «старшие адреса» (рис. 2.15).
/>
Рис. 2.14. Структурапамяти ПК Рис. 2.15. Логическая структура
в соответствии сконцепцией EMS адресного пространства ПК класса АТпо концепции XMS)
Врезультате структура памяти компьютера может быть организована из четырехобластей, различающихся местоположением в адресном пространстве, и однойдополнительной области, находящейся вне адресного поля. Необходимую для работыкомбинацию этих областей пользователь определяет и выстраивает сам.
Организацияпамяти компьютера из нескольких областей, имеющих различное назначение,создавала большие сложности в работе. Место, где размещаются все исполняемыепрограммы (базовая память), эксплуатируется очень интенсивно, а по размеру ононевелико; остальной объем (расширенная память) может быть значительно больше,но используется мало и только для сохранения данных или программ. С этимприходилось мириться. Несмотря на очевидные неудобства и сложности в работе,подобная структура памяти сохранялась на IBM-совместимых машинах весь период времени, когда вкачестве операционной системы (ОС) использовалась MS-DOS. Отказ от неестал возможен только с появлением ОС нового типа Windows 95/98.
Внастоящее время проблема распределения памяти потеряла остроту. Однакобольшинству пользователей в той или иной степени все равно придется с этимстолкнуться.
Краткаяхарактеристика областей памяти в случае исполь-зования MS-DOS:
Базоваяпамять (Base, Conventional) – основная память компьютера;занимает в массиве ОЗУ первые 640 кбайт (адреса 000 000–655 359),условно разбитые на 10 сегментов (0–9) по 64 кбайт каждый: в неезагружается DOS (рис. 2.16).
В первыхдвух килобайтах 0-го сегмента (адреса 0000–2048) размещены рабочие области DOS и BIOS, буферы устройств, таблицы векторов прерываний.Следующие несколько десятков килобайт используются для размещения драйверовоперационной системы.
Оставшийсямассив базовой памяти считается свободным и может быть использован прикладными(пользовательскими) программами. Объем свободной базовой памяти имеет дляпользователя большое практическое значение. Многие программы предъявляютжесткие требования: «объем базовой памяти не менее …» Если вкомпьютере на момент запуска этой программы памяти хотя бы чуть-чуть меньше, тоработать она не станет. Для того чтобы освободить максимально возможный объембазовой памяти, используются всевозможные ухищрения. Например, драйверыустройств стремятся разместить в верхней памяти (UMA) или старших адресах (НМА).
/>
Рис. 2.16. Структура базовойпамяти
Верхняя память(UMA – Upper Memory Area) – область ОЗУ между 640 кбайт и 1 Мбайт (1024 кбайт).Она зарезервирована для служебных целей.
Адресное поле сегментов А и Виспользуется для размещения ОЗУ видеоконтроллеров (рис. 2.17).
Свободныеобласти UMA, сегменты С, D, Е иF обычно используютсяпрограммами-админи-страторами расширенной памяти для помещения в нихрезидентных программ и ядра DOS. Свободных фрагментов в UMA несколько, ониназываются блоками верхней памяти (Upper Memory Blocks – UMB). Посколькуразмеры блоков UMA невелики, то нерезидентные программы туда обычно незагружаются, так как их код должен занимать непрерывную область памяти.
Внастоящее время в этой области только два участка жестко закреплены законкретными устройствами:
– в адресномпространстве сегмента С размещено ПЗУ видеоконтроллера (контроллер EGA использует 16 кбайт, VGA – 32 кбайт);
/>
Рис. 2.17. Организацияверхней памяти
– пространствосегмента F занято системным ПЗУ, находящимся наматеринской плате.
Оставшиесяучастки могут использоваться пользователем по своему усмотрению. В верхнейпамяти может быть создана теневая память (Shadow), т. е. в некоторых участках адресного пространстваверхней памяти оказались параллельно подключенными оперативная память и блокиПЗУ, находящиеся на материнской плате и контроллерах. Таких участков внастоящее время два: сегмент F ичастично сегмент С. Обычно работает ПЗУ. Проектировщиками материнских плат былпредложен вариант функционирования системы, при котором вместо медленного ПЗУприменяется более быстрое ОЗУ. По желанию пользователя возможен режим начальнойзагрузки компьютера, когда содержимое блоков ПЗУ переписывается в параллельныеобласти ОЗУ, и в дальнейшем обращение идет к ним. Фактически в оперативнойпамяти создается копия – «тень» ПЗУ, отсюда и название режима.Управление работой теневой памяти выполняется через программу Setup.
Свободныеучастки в сегментах С, D и Емогут быть преобразованы при помощи утилиты EMM386.exe вблоки, пригодные для хранения информации. В них как правило размещены системныепрограммы и драйверы. Весь объем верхней памяти, находящейся под управлением EMM386.exe, получил название UMB.
На 286-йи 386-й материнских платах с верхней памятью может быть выполнена переадресация(remaping). В аппаратной части этих плат былазаложена возможность программного переключения (условного перемещения) частиверхней памяти в область расширенной (сразу после первого мегабайта). Такойрежим давал возможность на материнских платах, реально имеющих всего 1 МбайтОЗУ, создать область расширенной памяти и устанавливать на компьютер ОС Windows. На некоторых платах при созданиирежима Shadow переадресацию выполнить нельзя.
Расширеннаяпамять (EMA – Extended Memory Area) – весь объем ОЗУ «выше, старше» первогомегабайта. Доступ к ней организуется при помощи драйвера HIMEM.sys (область, находящаяся под его управлением, получиланазвание XMS – Extended Memory Specification).
Всистемах «под DOS»возможности этого вида памяти ограничены:
− в расширеннойпамяти не может находиться операционная система;
− в ней невозможносоздание рабочих областей устройств;
− находящиеся в EMA программы не могут быть выполнены.
Восновном расширенная память используется для сохранения данных и программ. Всоставе ОС MS-DOS есть драйверы RAMDRIVE.sys и SMARTDRV.exe, ориентированные на работу с EMA. Для записи в расширенную память илисчитывания оттуда они переводят МП в защищенный режим, а затем возвращают вреальный.
Областьстаршей памяти, старшие адреса (НМА – High Memory Area) – область первых 64 кбайт (без 16байт) расширенной памяти, доступ к которым можно получить без выхода изреального режима. Это дополнительный участок ОЗУ, пригодный для размещениякомпонентов операционной системы.
Для тогочтобы объяснить, откуда появились эти 64 кбайт памяти, вспомним, какформируется адрес в МП. Если в старшие 16 разрядов сегментного регистразагрузить максимальное значение FFFF16 (a 4 младших автоматическиустанавливаются в нуль) и задать смещение FFFF16, можно получить предельный адресравный l’0FFEF16 (рис. 2.18). Адресный интервал10000016 – l’0FFEF16 и составляет область старшей памяти.Управление размещением данных в старших адресах возложено на драйвер HIMEM.sys.
/>
Рис. 2.18. Формированиеадресного интервала области старшей памяти
Дополнительная память (Expanded Memory Area).
Вкомпьютере доступ к дополнительной памяти (LIM EMS) реализует драйвер EMM386.exe.Для него необходим свободный участок ОЗУ размером в 64-килобайтный страничныйблок (обычно он берется в верхней памяти – окно EMA). В процессе работы он делится на четыре16-килобайтные логические страницы. На такие же по размеру страницы делитсявесь имеющийся объем дополнительной памяти. В логические страницы заноситсяинформация, требующая сохранения. После этого их содержимое путем определеннойпрограммной процедуры копируется на одну из страниц дополнительной памяти.Затем в логические страницы помещается следующая порция данных и процедураповторяется. Страничный блок как перемещающееся смотровое окошко имеет доступ клюбой точке области дополнительной памяти. Через него производится как запись,так и считывание.
Дополнительная памятьможет быть использована для хранения данных и программ. С помощью драйверов RAMDRIVE.sys и SMARTDRV.exe в ней могут быть созданы электронныйдиск и буферы дисковых накопителей. Спецификацией EMS могут пользоваться толькоспециально разработанные для этого программы. В связи с необходимостью частогопереключения страниц и копирования их в UMA отображаемая память работаетдовольно медленно.
Электронныйдиск – программно построенная структура, по организации и принципу работы с нимидентичная логическому диску на винчестере. Доступ к нему при записи или чтениивыполняется быстрее, так как нет медленной операции перемещения головок.Емкость невелика (не может превосходить по объему расширенную память). Наэлектронном диске удобно держать короткие часто исполняемые программы. Привыключении компьютера все содержимое диска теряется.
Виртуальная память – этотакая система организации выполнения задания, при которой часть программырасполагается в быстродействующей памяти (микросхемах), а часть – на некоторомболее медленном и дешевом запоминающем устройстве (например, жестком диске).Виртуальная организация памяти позволяет программисту работать, не заботясь оемкости реальной памяти. В системах виртуальной памяти диск превращается восновную память, а RAM (реальная память) содержит код и данные, используемыепроцессорами.
Механизм виртуальнойпамяти, реализованный на процессоре 80286, позволяет организоватьвиртуальную память большого объема при относительно небольших размерахоперативной и дисковой памяти. Основная идея виртуальной памяти заключается вхранении и обновлении на диске сегментов программы и загрузки их в оперативнуюпамять по мере необходимости. Процесс загрузки и выгрузки сегментов называетсясвопингом.
В версиях DOS6.xпоявилась утилита MEMMAKER, которая автоматически оптимизирует использованиеверхней памяти. Поскольку эта память фрагментирована, то не всегда удаетсявручную загрузить туда все желаемые резиденты. Кроме того, некоторыерезидентные программы могут менять свой размер после загрузки. MEMMAKERпросчитывает все возможные комбинации распределения программ по блокам верхнейпамяти (их может быть несколько десятков тысяч) и выбирает из них оптимальную.Следует отметить, что с этой задачей MEMMAKER справляется далеко не лучшимобразом, поскольку он не обрабатывает командные файлы, вызываемые из файлаAUTOEXEC.BAT, а также не способен изменить порядок загрузки драйверов ирезидентов, что могло бы привести к более удачному варианту их размещения вверхней памяти. Однако существует специально разработанные драйверыоптимизации, позволяющие добиться лучших результатов: QEMM386, 386MAX и др.
2.4.1.3 Общаяхарактеристика способов реализации
запоминающих устройств
В общем случае подзапоминающим устройством (ЗУ) можно понимать любое устройство, которое хранитинформацию для дальнейшего использования. При таком понимании ЗУ ПЭВМ можноразделить на два класса.
Первый класс ЗУпредставляет собой память, которая хранит команды и данные, обрабатываемые МПнепосредственно, т. е. в любой момент времени МП имеет доступ к любой командеили данным, например, ЗУПВ (ЗУ произвольной выборки – ОЗУ, ПЗУ).
Второй класс состоит изсредств, которые могут хранить информацию, но ее необходимо передавать в памятьпервого класса прежде, чем к ней может обратиться МП, например, внешние ЗУ(НГМД, НЖМД и др.).
/>
Рис. 2. 19.Конструктивные особенности ОЗУ
ОЗУ ПЭВМ может состоятьиз одной или нескольких плат, которые подключены к системной шине (рис. 2.19,2.20).
Микросхемы ЗУПВ имеюторганизацию M×N, где М – количество адресуемых слов; N – количество разрядов в слове.
Под длительностью циклаобращения понимается минимальный временной интервал от момента поступлениястабильного адреса слова до получения стабильных данных. Эта характеристикаотражает быстродействие ЗУПВ.
/>
Рис. 2.20.Структураобращения к оперативной памяти
2.4.2 Регистровая кэш-память
В качестве элементнойбазы основной памяти в большинстве ВМ служат микросхемы динамических ОЗУ, напорядок уступающие по быстродействию центральному процессору. В результатепроцессор вынужден простаивать несколько тактовых периодов, пока информация изИМС-памяти установится на шине данных ВМ. Если ОП выполнить на быстрыхмикросхемах статической памяти, стоимость ВМ возрастет весьма существенно.Экономически приемлемое решение этой проблемы было предложено М. Уилксом в 1965 г. в процессе разработки ВМ Atlas и заключается в использовании двухуровневой памяти, когдамежду ОП и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буфернаяпамять. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участкиОП, к которым производится обращение со стороны процессора, т. е. производитсяотображение участков ОП на буферную память. Выигрыш достигается за счет ранеерассмотренного свойства локальности: если отобразить участок ОП в болеебыстродействующую буферную память и переадресовать на нее все обращения впределах скопированного участка, можно добиться существенного повышенияпроизводительности ВМ.
Уилкс М. называл рассматриваемуюбуферную память подчиненной (slave memory). Позже распространение получилтермин кэш-память (от англ. cache – убежище, тайник), поскольку такая памятьобычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать иможет даже вообще не знать о ее существовании. Впервые кэш-системы появились вмашинах модели 85 семейства IBM 360.
В общем видеиспользование кэш-памяти можно пояснить следующим образом. Когда ЦП пытаетсяпрочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этогослова в кэш-памяти. Если такая копия существует, обращение к ОП непроизводится, а в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти. Даннуюситуацию принято называть успешным обращением, или попаданием (hit). Приотсутствии слова в кэше, т. е. при неуспешном обращении – промахе (miss)требуемое слово передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП вкэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.
На рисунке 2.21 приведенаструктура системы с основной и кэш-памятью. ОП состоит из 2n адресуемых слов, где каждое словоимеет уникальный n-разрядный адрес. При взаимодействии с кэшем эта памятьрассматривается как М блоков фиксированной длины по К слов в каждом (М = 2n/К).Кэш-память состоит из С блоков аналогичного размера (блоки в кэш-памяти принятоназывать строками), причем их число значительно меньше числа блоков в основнойпамяти (С
На эффективностьприменения кэш-памяти в иерархической системе памяти влияет целый ряд моментов.К наиболее существенным из них можно отнести:
– емкость кэш-памяти;
– размер строки;
– способ отображенияосновной памяти на кэш-память;
– алгоритм замещенияинформации в заполненной кэш-памяти;
– алгоритм согласованиясодержимого основной памяти и кэш-памяти;
– число уровнейкэш-памяти.
/>
Рис. 2.21. Структурасистемы с основной памятью и кэш-памятью
Современные технологиипозволяют разместить кэш-память и ЦП на общем кристалле. Такая внутренняякэш-память строится по технологии статического ОЗУ и является наиболеебыстродействующей. Емкость ее обычно не превышает 64 кбайт. Попытки увеличенияемкости приводят к снижению быстродействия, главным образом из-за усложнениясхем управления и дешифрации адреса. Общую емкость кэш-памяти ВМ увеличивают засчет второй (внешней) кэш-памяти, расположенной между внутренней кэш-памятью иОП. Такая система известна под названием двухуровневой, где внутреннейкэш-памяти отводится роль первого уровня (L1), а внешней – второго уровня (L2).Емкость L2 обычно на порядок больше, чем у L1, а быстродействие и стоимость –несколько ниже. Память второго уровня также строится, как статическое ОЗУ.Типичная емкость кэш-памяти второго уровня – 256 и 512 кбайт, реже 1 Мбайт, ареализуется она, как правило, в виде отдельной микросхемы, хотя в последнеевремя L2 часто размещают на одном кристалле с процессором, за счет чегосокращается длина связей и повышается быстродействие.
При доступе к памяти ЦПсначала обращается к кэш-памяти первого уровня. В случае промаха производитсяобращение к кэш-памяти второго уровня. Если информация отсутствует и в L2,выполняется обращение к ОП и соответствующий блок заносится сначала в L2, азатем и в L1. Благодаря такой процедуре часто запрашиваемая информация можетбыть быстро восстановлена из кэш-памяти второго уровня.
Потенциальная экономия засчет применения L2 зависит от вероятности попаданий как в L1, так и в L2.Использование кэш-памяти второго уровня существенно улучшаетпроизводительность.
В большинстве семействмикропроцессоров предусмотрены специальные ИМС контроллеров внешней кэш-памяти,например микросхема 82491 – для Intel Pentium. Дляускорения обмена информацией между ЦП и L2 между ними часто вводят специальнуюшину (шину заднего плана), в отличие от шины переднего плана, связывающую ЦП сосновной памятью.
Количество уровнейкэш-памяти не ограничивается двумя. В некоторых ВМ уже можно встретитькэш-память третьего уровня (L3) и ведутся активные дискуссии о введении также икэш-памяти четвертого уровня (L4). Характер взаимодействия очередного уровня спредшествующим аналогичен описанному для L1 и L2. Таким образом, можно говоритьоб иерархии кэш-памяти. Каждый последующий уровень характеризуется большейемкостью, меньшей стоимостью, но и меньшим быстродействием, хотя оно все жевыше, чем у ЗУ основной памяти.
2.4.3 Внешняя память
2.4.3.1 Классификациявнешних запоминающих устройств
Носитель – материальныйобъект, способный хранить информацию.
Устройства внешнейпамяти, или внешние запоминающие устройства, весьма разнообразны. Их можноклассифицировать по целому ряду признаков: виду носителя, типу конструкции,принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. д.
Один из возможныхвариантов классификации ВЗУ – по виду носителей и типу конструкции – приведенна рисунке 2.22.
/>
Рис. 2.22. Классификациявнешних запоминающих устройств
В зависимости от виданосителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковыенакопители.
Накопители на магнитной лентепо типу конструкции, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинноймагнитной ленте (НБЛМ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ –стримеры). В ПК используются только стримеры.
Диски по методусчитывания относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие«прямой» доступ означает, что ПК может «обратиться» кдорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужнозаписать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка чтениянакопителя.
Накопители на дискахболее разнообразны (табл. 2.4):
Таблица 2.4 Сравнительныехарактеристики дисковых накопителейТип накопителя
Емкость,
Мбайт Время доступа, мс Трансферт, кбайт/с Вид доступа НГМД 1,2; 1,44 65 ¸ 100 150 чтение-запись Винчестер 250 ¸ 320000 8 ¸ 20 500 ¸ 3000 чтение-запись Бернулли 20 ¸ 230 20 500 ¸ 2000 чтение-запись Floptical 20,8 65 100 ¸ 300 чтение-запись 120 ¸ 240 65 200 ¸ 600 чтение-запись 250 ¸ 64000 15 ¸ 300 150 ¸ 1500 только чтение CC WORM 120 ¸ 64000 15 ¸ 150 150 ¸ 1500 чтение-одно-кратная запись НМОД 128 ¸ 64000 15 ¸ 150 300 ¸ 2000 чтение-запись
Примечание. Время доступа– средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемыеданные, – представляет собой сумму времени для позиционирования головокчтения-записи на нужную дорожку и ожидания нужного сектора. Трансферт –скорость передачи данных при последовательном чтении.
– накопители на гибкихмагнитных дисках (НГМД), т. е. флоппи-дисках или на дискетах;
– накопители на жесткихмагнитных дисках (НЖМД) типа «винчестер»;
– накопители на сменных,жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли;
– накопители нафлоптических дисках, т. е. floptical-накопители;
– накопители сверхвысокойплотности записи, т. е. VHD-накопители;
– накопители наоптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM);
– накопители наоптических дисках типа CC WORM (Continuous Composite Write Once Read Many –однократная запись – многократное чтение);
– накопители на магнитооптическихдисках (НМОД) и др.
2.4.3.2 Накопители нагибких магнитных дисках
На гибком магнитном диске(дискете) магнитный слой наносится на гибкую основу. Используемые в ПК ГМДимеют формат 5,25 и 3,5 дюйма, емкость ГМД колеблется в пределах от 180кбайт до 2,88 Мбайт.
ГМД диаметром 5,25 дюйма помещается в плотный гибкий конверт, а диаметром 3,5 дюйма – в пластмассовую кассету для защиты от пыли и механических повреждений.
Конструктивно дискдиаметром 133 мм изготовляется из гибкого пластика (лавсана), покрытогоизносоустойчивым ферролаком, и помещается в футляр – конверт. Дискета имеет двепрорези: центральное отверстие для соединения с дисководом и смещенное отцентра небольшое отверстие (обычно скрытое футляром), определяющее радиус –вектор начала всех дорожек на ГМД. Футляр также имеет несколько прорезей:центральное отверстие, чуть больше чем отверстие на дискете, широкое окно длясчитывающих и записывающих магнитных головок и боковую прорезь в видепрямоугольника, закрытие которой, например липкой лентой, защищает дис-кету отзаписи и стирания информации.
Диск диаметром 89 мм имеет более жесткую конструкцию, более тщательно защищен от внешних воздействий и имеетпримерно те же конструктивные элементы. Режим запрета записи на этих дискахустанавливается специальным переключателем, расположенным в одном из угловдиска.
В последние годы появилисьдиски с тефлоновым покрытием (Verbutim Data Life Plus), которое предохраняетмагнитное покрытие и записанную информацию от грязи, пыли, воды, жира,отпечатков пальцев и даже от растворителей типа ацетона.
Возможная емкость3,5-дюймового диска Data Life Plus – 2,88 Мбайт. Следует упомянуть и диски«Go anywhere», распространяемые у нас в стране под названием«Вездеход». Они также обладают стойкостью к различным внешнимвоздействиям: температуре, влажности, запыленности.
Основные характеристикинекоторых типов НГМД приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5 Основныехарактеристики некоторых типов НГМДПараметр Тип ГМД 133 мм (5,25 дюйма)
89 мм
(3,5 дюйма)
Полная емкость, кбайт
Рабочая емкость, кбайт (после форматирования)
Плотность записи, бит/мм
Плотность дорожек, дорожек/мм
Число дорожек на одной поверхности диска
Число поверхностей (сторон)
Среднее время доступа, мс
Скорость передачи, кбайт/с
Скорость вращения, оборотов/мин
Число секторов
Емкость сектора дорожки, байт
500
360
231
1,9
40
2
80
50
3000
9
512
1000
720
233
3,8
80
2
100
50
3000
9
512
1600
1200
380
3,8
80
2
100
80
3600
15
512
1000
720
343
5,3
80
2
65
80
7200
9
512
1600
1440
558
5,3
80
2
65
150
7200
18
512 /> /> /> /> /> />
Каждый новый диск вначале работы с ним следует отформатировать.
Форматирование диска –это создание структуры записи информации на его поверхности: разметка дорожек,секторов, запись маркеров и другой служебной информации.
Возможный вариантформатирования зависит от типа диска (маркируемого на его конверте):
− SS/SD – односторонний диск (SingleSides) одинарной плотности (Single Density);
− SS/DD – односторонний диск двойнойплотности ( Double Density);
− DS/SD – двухсторонний диск (DoubleSides) одинарной плотности;
− DS/DD – двухсторонний диск двойнойплотности;
− DS/HD – двухсторонний диск высокойплотности (Hign Den-sity), обеспечивающий максимальные емкости.
Программы дисковойоперационной системы МS-DOS записывают в любой сектор информацию объемом неболее 512 байт. Таким образом, общая емкость D любого диска, используемого DOC,составляет D = 512 ´ Nt ´ Ns ´ 2 байт, где Nt – количество дорожек; Ns – количествосекторов на дорожке; множитель 2 учитывает две поверхности диска.
Например, для широкораспространенных дисков диаметром 133 мм для формата DS/DD Nt = 40, Ns = 9.
Емкость равна D = 512 ´ 40 ´ 9 ´ 2 = 360 ´ 1024 = к60 кбайт.
Для формата DSHD Nt = 80,Ns = 15 и емкость диска составляет
D = 512 ´ 80 ´ 15 ´ 2 = 1200 ´ 1024 = 1,2 Мбайт.
Для форматированияиспользуется команда операционной системы MS-DOS: format .
Например: format A:\
2.4.3.3 Правила обращенияс дисками
Необходимо соблюдатьследующие правила пользования дисками:
− не сгибать, не прикасаться руками кмагнитному покрытию;
− не подвергать воздействию магнитныхполей;
− хранить в бумажном конверте приположительной температуре;
− надписи на приклеенной к дискуэтикетке следует делать без нажима карандашом;
− брать только за один угол защищенногоконверта;
− не мыть;
− извлекать перед выключением ПК;
− вставлять диск в дисковод и выниматьего только тогда, когда не горит сигнальная лампочка включения дисковода.
2.4.3.4 Накопители нажестких магнитных дисках
Первый жесткий дисксоздан задолго до появления персональных компьютеров. Его разработала в 1957 г. фирма IBM для системы сохранения данных RAMDAC 350. Размер рабочих дисков был равен 24 дюймам, емкость накопителя составляла 5 Мбайт, стоила система более 30 тыс. долл. В качественакопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) широкое распространение в ПКполучили накопители типа «винчестер».
Термин«винчестер» возник из жаргонного названия первой модели жесткогодиска для компьютеров PC XT емкостью 1 Мбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного в товремя многозарядного карабина фирмы Winchester.
Конструктивно в этихнакопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавовалюминия или керамики, покрытых ферролаком. Вместе с блоком магнитных головоксчитывания-записи они помещены в герметически закрытый корпус. Емкость этихнакопителей благодаря чрезвычайно плотной записи достигает нескольких тысячмегабайт. Быстродействие их также значительно более высокое, нежели у НГМД.
НЖМД весьма разнообразны.Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм), но есть и другие, в частности 5,25 дюйма (133 мм) и 1,8 дюйма (45 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода 25 мм у настольных ПК, 41 мм – у машин-серверов, 13 мм – у портативных ПК и др.
Объем возможной дляхранения на НЖМД информации определяется количеством цилиндров (дорожек нарабочей поверхности), головок (рабочих поверхностей) и секторов.
Цилиндр – этосовокупность дорожек, к которым возможно обращение без перемещения головок.
В современных НЖМДиспользуется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делитсяна несколько зон. Во внешних зонах размещается больше данных, чем вовнутренних. Это позволило увеличить емкость жестких дисков примернона 30 %.
Для того чтобы получитьна магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и сектора, надним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым,форматированием (physical, или low – level formatting). В ходе выполнения этойпроцедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, определяющуюразметку цилиндров диска на сектора и нумерующую их. Форматирование низкогоуровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращенияк ним в процессе эксплуатации диска.
Для разделения ЖМД налогические диски используется логическое форматирование утилитой FDISK.
Максимальная емкость искорость передачи данных существенно зависят от интерфейса, используемогонакопителем.
2.4.3.5 Накопители наоптических дисках
В последние годы всебольшее распространение получают накопители на оптических дисках (НОД).Благодаря маленьким размерам (используются компакт-диски диаметром 3,5 и 5,25 дюйма), большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными.
Неперезаписываемыелазерно-оптические диски обычно называют компакт-дисками ПЗУ (Compact Disk –CD-ROM). Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на нихинформацией (в частности, с программным обеспечением). Запись информации на нихвозможна только вне ПК в лабораторных условиях лазерным лучом большой мощности,который оставляет на активном слое CD след-дорожку с микроскопическимивпадинами. Таким образом создается первичный «мастер-диск». Процессмассового тиражирования CD-ROM по «мастер-диску» выполняется путемлитья под давлением. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазернымлучом существенно меньшей мощности.
CD-ROM ввиду чрезвычайноплотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайт, времядоступа в разных оптических дисках также колеблется от 30 до 300 мс, скоростьсчитывания информации от 150 до 1500 кбайт/с.
Основными достоинствамиНОД являются:
– сменяемость икомпактность носителей;
– большая информационнаяемкость;
– высокая надежность идолговечность CD и головок считывания/записи (до 50 лет);
– меньшая (по сравнению сНМД) чувствительность к загрязнениям и вибрациям;
– нечувствительность кэлектромагнитным полям.
2.4.3.6 Накопители намагнитной ленте
Накопители на магнитнойленте были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ широкоиспользовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а вперсональных ЭВМ – накопители на кассетной магнитной ленте.
Кассеты с магнитнойлентой (картриджи) весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемоймагнитной ленты, так и конструкцией. Объемы хранимой на одной кассете информациипостоянно растут. Так, емкость картриджей первого поколения, содержащихмагнитную ленту длиной 120 м, шириной 3,81 мм с 2¸4 дорожками, не превышала 25 Мбайт. В конце 80-х гг.прошлого века появились картриджи с большей плотностью записи на ленте ширинойчетверть дюйма (стандарты QIC-40/80). Последние модели таких картриджей(стандарт QIC 3010¸3020) имеют емкость 340, 680 и даже 840¸1700 Мбайт и более. При сжатии данныхможет быть достигнута еще большая емкость, например, НКМЛ Conner CTD 8000 имеетемкость 8 Гбайт, Sony DDS – 2¸16 Гбайт при трансферте 250 кбайт/с.
Лентопротяжные механизмыдля картриджей носят название стримеров. Это инерционные механизмы, требующиепосле каждой остановки небольшой перемотки ленты назад (перепозиционирования).Такое перепозиционирование увеличивает и без того большое время доступа кинформации на ленте (десятки секунд), поэтому стримеры нашли применение вперсональных компьютерах лишь резервного копирования и архивирования информациис жестких дисков и бытовых компьютерах для хранения пакетов игровых программ.
Скорость считыванияинформации с магнитной ленты в стримерах также невысока и обычно составляетоколо 100 кбайт/с. НКМЛ могут использовать локальные интерфейсы SCSI.
Лекция 3. Программное обеспечение ПЭВМ
3.1 Общая характеристикаи состав программного
обеспечения
3.1.1 Состав и назначениепрограммного обеспечения
Процесс взаимодействиячеловека с компьютером организуется устройством управления в соответствии с тойпрограммой, которую пользователь разработал и ввел в память компьютера. Наначальном этапе развития вычислительной техники это так и было. Пользовательпредставлял свои программы на машинном языке в виде двоичных кодов, аустройство управления в зависимости от их содержания подключало нужныеэлектронные цепи и схемы.
По мере усложнения задачи повышения требований к параметрам ЭВМ появилась потребность в более гибкоморгане управления, чем существующее электронное устройство управления. И такойорган был найден. Так называемые системные управляющие программы благодарясвоей гибкости взяли на себя большую часть функций устройства управления поорганизации процесса обработки информации на компьютере, оставив ему прежниеполномочия в рамках возможностей соответствующих электронных схем.
Для примера рассмотримнекоторые режимы, которые должны организовать управляющие программы независимоот назначения программ пользователя. В режиме разделения времени необходимоорганизовать работу так, чтобы одновременно работали разные устройства инесколько пользователей. Режим реального времени потребовал от компьютерамгновенной реакции на поступающие в ходе технологического процесса внешниепрерывания. Разные функции ЭВМ определяют специфику работы устройствуправления, но уже не как электронного устройства, а как некоего органа,состоящего из программной и электронной частей.
Такой важный момент, каксоздание ”дружественной” среды общения человека и компьютера, тоже заслугацелого комплекса специально разработанных программ, которые обеспечивают, содной стороны, управление процессом обработки информации в самом компьютере, ас другой – необходимый сервис для работы пользователя. Процесс составленияпрограмм любой сложности на символическом языке, близком к математическим илогическим выражениям, тоже стал возможным только тогда, когда была созданаспециальная система программирования, состоящая из взаимосвязанных отдельныхпрограмм.
Таким образом созданиекомпьютера – только первый шаг на пути компьютеризации общества. Передматематиками и программистами стоит задача разработать комплекс разнообразныхи взаимосвязанных по своим функциям программ, так называемое программноеобеспечение.
Программное обеспечение –это совокупность программ, позволяющих организовать решение задач пользователяна компьютере.
До недавнего временипрограммное обеспечение отождествляли с понятием математического обеспечения.
Математическоеобеспечение – это математические методы, алгоритмы, обеспечивающие решениепоставленной задачи.
Программное обеспечениеявляется составной частью компьютера, и некоторая его часть поставляется вместес технической аппаратурой.
3.1.1.1 Классификацияпрограммного обеспечения
Программные продуктыможно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим классификацию, вкоторой основополагающим признаком является сфера (область) использованияпрограммных продуктов.
Для поддержкиинформационной технологии в этих областях выделим соответственно три классапрограммных продуктов (рис. 3.1):
− системное программное обеспечение;
− пакеты прикладных программ;
− инструментарий технологиипрограммирования.
Системное программноеобеспечение (System Software) – совокупность программ и программных комплексовдля обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ, направленное:
– на созданиеоперационной среды функционирования других программ;
– обеспечениенадежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;
– проведениедиагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;
– выполнениевспомогательных технологических процессов (копирование, архивирование,восстановление файлов программ и баз данных и т. д.).
/>
Рис. 3.1. Классификацияпрограммного обеспечения по сфере
Использования
Данный класс программныхпродуктов тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью.Программные продукты ориентированы в основном на квалифицированныхпользователей – профессионалов в компьютерной области: системных программистов,администраторов сети, прикладных программистов, операторов. Однако знаниебазовой технологии работы с этим классом программных продуктов требуется иконечным пользователям персонального компьютера, которые самостоятельно нетолько работают со своими программами, но и выполняют обслуживание компьютеров,программ и данных.
Программные продуктыданного класса носят общий характер применения независимо от спецификипредметной области. К ним предъявляются высокие требования по надежности итехнологичности работы, удобству и эффективности использования.
Пакет прикладных программ(application program package) – это комплекс взаимосвязанных программ длярешения задач определенного класса конкретной предметной области; служит программныминструментарием решения функциональных задач и является самым многочисленнымклассом программных продуктов, выполняющих обработку информации различныхпредметных областей.
Установка программныхпродуктов на компьютер выполняется квалифицированными пользователями, анепосредственную их эксплуатацию осуществляют, как правило, конечныепользователи – потребители информации, деятельность которых во многих случаяхвесьма далека от компьютерной области. Данный класс программных продуктов можетбыть весьма специфичными для отдельных предметных областей.
Инструментарий технологиипрограммирования – совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающихтехнологию разработки, отладки и внедрения создаваемых программных продуктов:
Транслятор – это комплекспрограмм, обеспечивающих перевод программы, написанной на символическом языке,в совокупность машинных команд. В зависимости от функционального назначениятранслятор может быть компилятором, интерпретатором, ассемблером или языковымпроцессором.
Компилятор – этотранслятор, выполняющий перевод программы, написанной на алгоритмическом языке,в совокупность машинных команд без ее выполнения на компьютере.
Интерпретатор –транслятор, производящий перевод каждой конструкции алгоритмического языка вмашинные команды и одновременное выполнение этих конструкций в компьютере.
Ассемблер – транслятор,переводит программы, записанные на машинно-ориентированном языке ассемблера вмашинные коды.
Языковый процессор – этотранслятор, объединяющий в себе функции компиляции, интерпретации иассемблирования.
К категорииинструментальных средств относятся не только трансляторы с языков высокогоуровня, но и загрузчики, отладчики, иные системные программы.
Инструментарий технологиипрограммирования обеспечивает процесс разработки программ и включаетспециализированные программные продукты, которые являются инструментальнымисредствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают всетехнологические этапы процесса проектирования, программирования, отладки итестирования программ. Пользователями технологии программирования являютсясистемные и прикладные программисты.
3.1.2 Системапрограммирования
Даже при наличии десятковтысяч программ IBM PC пользователям может потребоваться что-то такое, чего неделают (или делают, но не так) имеющиеся программы. В таких случаях следуетиспользовать системы программирования, т. е. системы для разработки новыхпрограмм. Современные системы программирования для персональных компьютеровобычно представляют собой весьма мощные и удобные средства для разработкипрограмм, в них входят:
– компьютер,осуществляющий электронное преобразование программ на языке программирования в программу в машинных кодах;
– библиотекипрограмм, содержащие заранее подготовленные подпрограммы, которыми могутпользоваться программисты;
– различныевспомогательные программы, например, отладчики, программы для полученияперекрестных ссылок и др.
3.1.2.1 Языкипрограммирования
Под языком понимаютопределенный набор символов и правил (соглашений), устанавливающих способыкомбинации этих символов для записи осмысленных сообщений (текстов).
Все языки делят наестественные и искусственные.
Искусственный язык,предназначенный для записи программ, называется языком программирования.
В мире насчитываетсянесколько сотен символических языков программирования различных структур ивозможностей. Но все их можно разделить на две большие группы: машинно-ориентированныеи алгоритмические (рис. 3.2).
/>
Рис. 3.2. Классификацияязыков программирования
Машинный языкпредставляет собой программу в машинных кодах. Например, машинный код длявыполнения сложения C = A + B:
0011 10011010 10001001 10110011
операция адрес адрес адрес
сложения ячейки ячейки ячейки
операнда А операнда В операнда С
В символьном кодировании,за исключением машинного кода, используются символические обозначения операцийи адресов операндов.
Пример:
C = A + Bможно представить в виде команды:
СЛ AB C
Операция (+) адресаоперандов
Вместо двоичных кодов,как в машинной команде, здесь используются условные обозначения, и командаимеет более простой вид. Такую группу языков называют языками символическогокодирования. К ним относят Ассемблер, Макроассемблер, автокоды.
Алгоритмические языки –это набор символов и терминов, которые в соответствии с правилами синтаксисаописывают алгоритм решения задачи.
Языки профессиональныхпрограммистов – основная группа алгоритмических языков. К наиболее известнымотносят Фортран, Алгол, Кобол, ПЛ/1, Паскаль, Ада, Си, ЛИСП.
ФОРТРАН (FORmulaTRANslation) является первым алгоритмическим языком; был создан в конце 50-хгг.; очень близкий по форме записи к математическим формулам. Существенныйнедостаток: он не обеспечивает надежности программирования из-за своейгромоздкости и несовершенства логических возможностей. Программирование наФортране можно сравнить с ездой на телеге по автостраде с оживленнымавтомобильным движением.
АЛГОЛ-60 (AlgoritmicLanguage) появился в 1960 г., более гибок и надежен в программировании, чемФортран, лежит в основе таких языков, как ПЛ/1, Паскаль, Ада.
Язык СИ изобретен в 1972 г. Денисом Ричи для использования при написании весьма популярной операционной системы Unix. Внем сочетаются свойства языка высокого уровня с возможностью эффективногоиспользования ресурсов компьютера, которое обычно обеспечивается только припрограммировании на языке Ассемблера. Он не очень прост в обучении и требуеттщательности в программировании, но позволяет писать сложные ивысокоэффективные программы. Бьярном Страустрапом был разработан язык Си++ –расширенные языки Си, реализующие популярные в последнее время концепцииобъективно-ориентированного программирования и облегчающие создание сложныхпрограмм.
На IBM PC наибольшейпопулярностью пользуются реализации этого языка фирм Borland (Turbo C) иMikrosoft (Mikrosoft C и Quik), а также фирмы Symantec (Zortech C). Многие изэтих реализаций обеспечивают работу как с классическими Си, так и с Си++.
ПЛ/1(Programming LanguageOne) разработан в США для использования в больших ЭВМ фирмы IBM и ЭВМ семействаЕС. Это очень большой и сложный для изучения язык; применяется в основном длянаучных расчетов, обработки больших массивов информации.
АДА-язык, разработанный в 1979 г. по заданию министерства обороны США и названный в честь первойпрограммистки Ады Лавлейс, дочери Дж. Байрона которая еще в XIX в. создавала первые программы длясчетно-аналитической машины Ч. Бэбиджа. В нем заимствованы лучшие конструкциидругих языков, однако трансляторы получились очень сложными и работаютмедленно.
КОБОЛ (COmmon BusinersOriented) – язык, ориентированный на обработку коммерческой информации, созданв 1960 г.
ЛИПС (LISt Processing –обработка списков) разработан в конце 50-х гг. и является самым популярнымязыком для работ по искусственному интеллекту.
ПАСКАЛЬ создан в 1970 г. Это очень простой и компактный язык, его понятия близки к фундаментальным понятиям математики.По своей структуре и синтаксису среди существующих языков он наиболеесовершенен.
Система программирования Turbo Pascal появилась несколько позже IBM PC (в середине 80-х гг.и подобно аппаратным средствам фирмы IBM завоевала такую же популярность вклассе систем программирования. Объясняется это счастливым сочетанием двухбезусловных ее достоинств: исключительной простотой и естественностью языкапрограммирования Turbo Pascal (насколько вообще легче может бытьпростым и естественным язык программирования) и великолепными сервиснымивозможностями диалоговой среды программирования фирмы Borland.
Эта система относится ксемейству Турбо-компиляторов, разработанных фирмой Borland International, Inc.(Турбо-Си, Турбо-Бейсик, Турбо-Пролог, Турбо-Ассемблер) и отличающихся высокойскоростью компиляции и, что самое главное, тщательно продуманной и оченьудобной средой, создаваемой в них для программиста. При использованиитрадиционных компиляторов работа программиста строится по схеме: текстовыйредактор – компилятор – компоновщик – прогон программы. При этом неизбежныемногочисленные возвраты к текстовому редактору после компиляции, компоновки илипрогона программы для устранения обнаруженных ошибок и необходимой коррекцииисходного текста делают процедуру создания новой программы весьма утомительной.
При работе в среде Turbo Pascal пользователю нет необходи-мости покидать ее длявызова компилятора, компоновщика или для пробного прогона программы. С точкизрения пользователя Turbo Pascal – это фактически достаточносовершенный текстовый редактор, в котором предусмотрены средства компиляции ипрогона программы. Переход от режима редактирования к компиляции – компоновке –прогону программы осуществляется нажатием на одну-две клавиши. При обнаружениисистемой ошибок в программе компиляция или прогон программы прекращается и наэкран выводится исчерпывающая диагностика с указанием места ошибки. В сложныхслучаях пользователь может применить мощные средства диалогового отладчика,входящего в состав Turbo Pascal. Все это существенно увеличиваетэффективность труда программиста, который, как показывает практика, можетстабильно в течение нескольких месяцев составлять в среднем 100 и более строкотлаженной программы в день.
Разумеется не толькосреда, пусть даже весьма совершенная, послужила причиной широкой популярности Turbo Pascal. Не следует забывать, что в его основе лежит мощныйязык программирования, представляющий собой значительно расширенную версиюязыка Turbo Pascal. Задуманный первоначально автором Н. Вином каксредство обучения студентов современной методике структурного программированияэтот язык в интерпретации фирмы Borland приобрел множество дополнительныхсвойств, позволяющих говорить о нем как о вполне современном универсальномязыке программирования. Именно в Turbo Pascal, как ни водном другом языке программирования, разумно сочетаются лаконизм иестественность синтаксиса с достаточно гибкими возможностями управленияструктурами данных и ходом вычислительного процесса.
Вторая группа языков неочень многочисленна. Ее основное достоинство – простые конструкции, доступныедля понимания любому человеку. Составлением программ на таких языках (Бэйсик,АПЛ, Пролог) с удовольствием занимаются даже дети.
Особенно широкоераспространение получил язык Бэйсик (Вeginner’s ALL – purpose SymbolicInstruction Code – универсальный код символических инструкций для начинающих).Он был создан в 1964 г. Томасом Куртом и Джином Камени как язык дляначи-нающих, облегчающий написание простых программ. Существуют сотни различныхверсий Бейсика, которые не полностью (а иногда и мало) совместимы друг сдругом. Бейсик очень распространен на микрокомпьютерах, он легок для обучения,но мало подходит для написания больших и сложных программ. На IBM PC широкоиспользуется Quick Basik фирмы Microsoft и Turbo Basik фирмы Borland(усовершенствованная версия Turbo Basik распространяется под именем Power Basikфирмой Spektra Publishing).
3.1.3 Прикладное программирование
Класс программных средствдля прикладного программирования наиболее представителен, что обусловлено,прежде всего, широким применением средств компьютерной техники во всех сферахдеятельности человека, созданием автоматизированных информационных системразличных предметных областей.
Примерная классификация итиповые представители прикладного программного обеспечения представлены нарисунке 3.3.
/>
Рис. 3.3. Классификацияпакетов прикладных программ
Проблемно-ориентированныепакеты прикладного программирования (ППП) – самый представительный класспрограммных продуктов, внутри которого проводится классификация по разнымпризнакам:
– типам предметных областей;
– информационным системам;
– функциям и комплексам задач,реализуемых программным способом, и др.
Для некоторых предметныхобластей возможна типизация функций управления, структуры данных и алгоритмовобработки. Это вызвало разработку значительного числа ППП одинакового функционального назначения и, таким образом, создало рынок программныхпродуктов:
– автоматизированного бухгалтерскогоучета;
– финансовой деятельности;
– управления персоналом (кадровыйучет);
– управления материальными запасами;
– управления производством;
– банковские информационные системы ит. п.
Основные тенденции вобласти развития проблемно-ориентированных программных средств:
– создание программных комплексов ввиде автоматизированных рабочих мест (АРМ) управленческого персонала;
– создание интегрированных системуправления предметной областью на базе вычислительных сетей, объединяющих АРМыв единый программный комплекс с архитектурой клиент – сервер;
– организация данных большихинформационных систем в виде распределенной базы данных на сети ЭВМ;
– наличие простых языковых средствконечного пользователя для запросов к базе данных;
– настройка функций обработки силамиконечных пользователей (без участия программистов);
– защита программ и данных отнесанкционированного доступа (парольная защита на уровне функций, режимовработы, данных).
ППП автоматизированногопроектирования предназначены для поддержания работы конструктора и технологов,связанных с разработкой чертежей, схем, диаграмм, графическим моделированием и конструированием,созданием библиотеки стандартных элементов чертежей и их многократнымиспользованием, созданием демонстрационных иллюстраций и мультфильмов.
Отличительнойособенностью этого класса программных продуктов являются высокие требования ктехнической части системы обработки данных, наличие библиотек встроенныхфункций, объектов, интерфейсов с графическими системами и базами данных.
ППП общего назначениясодержат широкий перечень программных продуктов, поддерживающих преимущественноинформационные технологии конечных пользователей. Кроме конечных пользователейэтими программными продуктами за счет встроенных средств технологиипрограммирования могут пользоваться и программисты для создания усложненныхпрограмм обработки данных.
Представители программныхпродуктов общего назначения:
1. Серверы баз данных – успешноразвивающийся вид программного обеспечения, предназначенный для создания ииспользования при работе в сети интегрированных баз данных в архитектуре клиент– сервер.
2. Генераторы (серверы) отчетов –самостоятельное направление развития программных средств, обеспечивающихреализацию запросов и формирование отчетов в печатном или экранном виде вусловиях сети с архитектурой клиент – сервер.
3. Текстовые процессоры – автоматическоеформатирование документов, вставка рисованных объектов и графики, составлениеоглавлений и указателей, проверка орфографии, шрифтовое оформление, подготовкашаблонов документов.
4. Табличный процессор – удобная средадля вычислений силами конечного пользователя; средства деловой графики,специализированная обработка (встроенные функции, работа с базами данных,статистическая обработка данных и др.).
5. Средства презентационной графики –специализированные программы, предназначенные для создания изображений и ихпоказа на экране, подготовки слайд-фильмов, мультфильмов, видеофильмов, ихредактирования, определения порядка следования изображений.
6. Интегрированные пакеты – наборнескольких программных продуктов, функционально дополняющих друг друга,поддерживающих единые информационные технологии, реализованные на общейвычислительной и операционной платформе.
Методно-ориентированныеППП включают программные продукты, обеспечивающие независимо от предметнойобласти и функций информационных систем математические, статистические и другиеметоды решения задач.
Офисные ППП охватываютпрограммы, обеспечивающие организационное управление деятельностью офиса:
1. Органайзеры(планировщики) – программное обеспечение для планирования рабочего времени,составления протоколов встреч, расписаний, ведения записной и телефоннойкнижек.
2. Программы-переводчики,средства проверки орфографии и распознавания текста включают:
– программы-переводчики,предназначенные для создания подстрочника исходного текста на указанном языке;
– словари орфографии,используемые при проверке текстов;
– словарисинонимов, используемые для стилевой правки текстов программы, распознаваниясчитанной сканерами информации и преобразования ее в текстовое представление.
3. Коммуникационные ПППпредназначены для организации взаимодействия пользователя с удаленнымиабонентами или информационными ресурсами сети.
Настольные издательскиесистемы включают программы, обеспечивающие информационную технологиюкомпьютерной издательской деятельности:
– форматирование иредактирование текстов;
– автоматическуюразбивку текста на страницы;
– созданиезаголовков;
– компьютернуюверстку печатной страницы;
– монтированиеграфики;
– подготовкуиллюстраций и т. п.
Программные средствамультимедиа являются относительно новым классом ППП.
Основное назначениепрограммных продуктов мультимедиа – создание и использование аудио- ивидеоинформации для расширения информационного пространства пользователя.
Этот класс ПППсформировался в связи с несколькими факторами:
– с изменениемсреды обработки данных;
– появлениемлазерных дисков высокой плотности записи, с хорошими техническим параметрами,по доступным ценам;
– расширениемсостава периферийного оборудования, подключаемого к персональному компьютеру;
– развитием сетевойтехнологии обработки;
– появлениемрегиональных и глобальных информационных сетей, располагающих мощнымиинформационными ресурсами.
Системы искусственногоинтеллекта реализуют отдельные функции интеллекта человека. Их основнымикомпонентами являются база знаний, интеллектуальный интерфейс пользователя ипрограмма формирования логических выводов.
Разработка этих системидет по следующим направлениям:
– программыоболочки для создания экспертных систем путем наполнения баз знаний и правиллогического вывода;
– готовые экспертныесистемы для принятия решения в рамках определенных предметных областей;
– системы анализа ираспознавания речи и др.
3.2 Операционные системы
3.2.1 Общие сведения обоперационных системах
Структура системногопрограммного обеспечения – базового программного обеспечения, которое, какправило, поставляется вместе с компьютером, и сервисного программногообеспечения, которое может быть приобретено дополнительно, представлена нарисунке 3.4.
Базовое программноеобеспечение (base software) – минимальный набор программных средств,обеспечивающих работу компьютера.
Сервисное программноеобеспечение – программы и программные комплексы, которые расширяют возможностибазового программного обеспечения и организуют более удобную среду работыпользователя.
Рассмотрим назначениепрограммных продуктов, относящихся к базовому программному обеспечению.
Операционные системы.
Операционная системапредназначена:
– для управлениявыполнением пользовательских программ;
– планирования иуправления вычислительными ресурсами ЭВМ;
– предоставленияуслуг пользователю.
/>
Рис. 3.4. Классификациясистемного программного обеспечения
Операционные системы дляперсональных компьютеров делятся:
– на одно- имногозадачные, в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладныхпроцессов;
– одно- имногопользовательские, в зависимости от числа пользователей, одновременноработающих с операционной системой;
– непереносимые ипереносимые на другие типы компьютеров;
– несетевые исетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.
Наиболее традиционноесравнение ОС осуществляется по следующим характеристикам процесса обработкиинформации:
– управлениепамятью;
– функциональныевозможности вспомогательных программ (утилит) в составе операционной системы;
– наличиекомпрессии диска;
– возможностиархивирования файлов;
– поддержкамногозадачного режима работы;
– наличиекачественной документации;
– условия исложность процесса инсталляции.
Большое значение сегодняимеет применение 32-разрядных операционных систем для персональных компьютеров:
– OS/2 во всехмодификация (IBM);
– Windows NT вовсех модификациях (Microsoft);
– Unix во всех модификациях;
– Next Step 3.2(Next);
– SCOOpen Desktop 3.0 1 (Sante Cruz Operation);
– Solaris2.1 (SunSoft) – x86;
– UnixWarePersonal Edition 1.0 (Novell).
По данным опросапользователей программных продуктов, мнение респондентов относительно операционныхсистем распределилось, как указано в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Тип операционной
системы Пользователи, имеющие операционные системы Считают лучшими MS-DOS 62,4 % 18,8 % WINDOWS 52,8 % 23,1 % OS/2 14,1 % 12,5 % NETWERA 10,2 % 6,8 % UNIX 7,9 % 5,4 %
Операционная системаMS-DOS (фирма Microsoft) (рис. 3.5).
Предшественником MS-DOSбыла ОС DOS-89. В то время наиболее популярной системой для микрокомпьютеров набазе Intel 8080 и Zilog Z-80 была ОС CP/М-80 фирмы Digital Research. Этасистема обеспечивала доступ к разнообразным средствам прикладного программногообеспечения (текстовым процессорам, администраторам баз данных и т. д.)
В октябре 1980 г. компания IBM предложила фирмам, занимающимся разработкой ПО для микрокомпьютеров, начатьпоиск операционной системы для нового семейства персональных компьютеров. ФирмаMicrosoft не могла предложить собственнойоперационной системы за исключением автономной версии Microsoft BASIC, однакоона заплатила фирме Seattle Computer Products за право продавать системуПитерсона DOS-86. За это Seattle Computer Products получила лицензию на правоиспользовать и продавать языки программирования и все версии операционнойсистемы для микропроцессора 8086, разработанные фирмой Microsoft. В июле 1981 г. Microsoft приобрела все права на систему DOS-86, значительно переработала ее и дала названиеMS-DOS. Осенью 1981 г. появились первые компьютеры IBM PC, фирма IBM предложиладля них в качестве основной операционную систему MS-DOS, названнуюPS-DOS 1.0. Кроме того, фирма IBM выбрала для микрокомпьютеров РС вкачестве альтернативны операционные системы СР/М-86 (фирмы Digital Research) иP-system (фирмы Softech). Однако обе эти системы имели ряд недостатков:обладали малым для IBM PC быстродействием, высокой стоимостью, отсутствиемдоступных языков программирования. Окончательно чаша весов склонилась в пользусистемы PC-DOS после того, как фирма IBM с ее помощью реализовала всеприкладные программные средства для IBM PC, а также инструментарий, работающийпод их управлением. Поэтому с самого начала разработчики программногообеспечения ориентировались на PC DOS, а системы CP/M-86 и P-system незаняли сколько-нибудь значительного места на рынке программного обеспечения дляIBM PS.
Фирма IBM былаединственным крупным производителем компьютеров, которая оснастила своюпродукцию системой MS-DOS (версия 1.0), названной PS-DOS 1.0. Система MS-DOS версия 1.25
/>
Рис. 3.5. Этапы развитиясистемы MS-DOS
(эквивалентная системефирмы IBM PC DOS 1.1) была опубликована в июне 1982 г. В ней исправлено несколько ошибок. Кроме того, она поддерживала работу двухсторонних дисков иаппаратную независимость ядра DOS. Эту версию системы DOS использовали в своейпродукции, кроме IBM, и другие фирмы: Texas Instruments, COMPAQ, Columbia,которые вышли на рынок персональных компьютеров раньше. Из-за резкого сниженияцен на ОЗУ и жесткие диски популярность системы MS-DOS (версия 1) быланедолгой.
Система MS-DOS версии 2.0(эквивалентная PC-DOS 2.0) впервые опубликована в марте 1983 г. Оглядываясь назад, можно сказать, что это была принципиально новая операционная система, хотяпри ее создании было сделано все возможное для сохранения совместимости ссистемой MS-DOS 1.0. Эта система содержала много принципиальных новшеств иотличительных черт:
– поддержку гибких дисковбольшого объема и жестких дисков.
– большое количествочерт, напоминающих системы UNIX/XE-NIX, включая иерархическую структуру файлов,дескрипторы файлов, перенаправление ввода-вывода, конвейеры и фильтры.
– фоновую печать(буферизацию печати);
– метки тома, а такжедополнительные атрибуты файлов;
– устанавливаемыедрайверы внешних устройств;
– настраиваемыйпользователем файл конфигурирования системы, который осуществляет управлениезагрузкой дополнительных драйверов внешних устройств;
– поддержку блоковкружения (конкретных блоков), которые можно использовать для обмена информациеймежду программами;
– необязательный драйвердисплея ANSI, который позволяет программам задавать положение курсора иосуществляет управление характеристиками дисплея аппаратно-независимым образом;
– обеспечениединамического распределения памяти, ее модификации и освобождения прикладнымипрограммами;
– поддержку настраиваемыхпользователем командных интерпретаторов (оболочек);
– системные таблицы дляподдержки прикладного программного обеспечения при модификации так называемыхнациональных форм (обозначение денежных знаков, времени и даты).
Представленная позжесистема MS-DOS версии 2.11 существенно улучшила использование национальныхформатов (табличное управление символами денежных знаков, форматы даты, символыдесятичной точки, разделители денежных знаков и т. п.). В ней поддерживаются 16бит представления иероглифов, исправлено несколько ошибок. Версия 2.11 быстростала базовой для персональных компьютеров с процессором 8086/8088, выпусккоторых был освоен всеми основными фирмами-изготовителями комплексногооборудования, включая Hewlett-Packard, Wang, Digital Equipment Corporation, Texas Instruments, COMPAQ и Tandy.
Система MS-DOS версии2.25, опубликованная в сентябре 1985 г., получила широкоераспространение в странах Юго-Восточной Азии, но никогда не поставлялась в СШАи страны Европы. В этой версии расширено национальное обеспечение в частияпонских и корейских символов, исправлены некоторые ошибки. Многие системныеутилиты стали совместимыми с системой MS-DOS (версия 3.0).
Система MS-DOS версии 3.0впервые представлена фирмой IBM в августе 1984 г. в момент начала впуска компьютеров IBM PC/AT на базе процессора 80286. Это была еще одна вомногом переписанная операционная система, имевшая новые важные особенности:
– непосредственноеуправление спулером печати прикладными программами;
– дальнейшеерасширение национальных форматов при обозначении денежных знаков;
– расширениесообщения об ошибках, включая код ошибки, который предлагает прикладнойпрограмме методику ее исправления;
– поддержка захватаи разделения файлов и их записей;
– поддержка жесткихдисков большого объема;
Система MS-DOS версии3.1, опубликованная в ноябре 1984 г., оснащена средствами разделения файлов иустройств печати через локальную сеть. Начиная с версии 3.1, новый модульоперационной системы, названный моделью перенаправления, перехватывает запросыприкладных программ на ввод-вывод и фильтрует из них те, которые направлены кустройствам локальной сети, пропуская эти запросы к другой машине длявыполнения.
Модификации системыMS-DOS (3.1 и старше) носят скорее эволюционный, чем революционный характер. Вверсии 3.2, которая появилась в 1986 г., обобщено определение драйверовустройств, что значительно упростило средства поддержки новых магнитныхносителей, таких как гибкий диск размером 3,5 дюйма. Система MS-DOS (версия 3.3), выпущенная в 1987 г. одновременно с началом выпускаперсональных компьютеров IBM нового семейства PS/2, оснащена еще более мощнымисредствами поддержки работы клавиатуры на нескольких иностранных языках,включая соответствующие наборы символов печатающего устройства и шрифтовдисплея. Возможности версии 4.0, впервые представленной в 1988 г., значительно возросли благодаря оболочке визуального представления и средствам поддержкифайловых систем очень больших размеров.
Одновременно с развитиемсистемы MS-DOS фирма Microsoft вела интенсивные разработки в областипользовательских интерфейсов и многозадачных операционных систем. ПакетMicrosoft Windows, впервые примененный в 1985 г., позволил MS-DOS реализовать многозадачный режим и режим графического «рабочего стола» пользователя.Он завоевал широкую популярность среди разработчиков сложных прикладныхграфических программ, таких как система подготовки издательских оригиналов,система автоматизированного проектирования (САПР). Последнее объясняется тем,что пакет позволяет использовать в программах все достоинства любого имеющегосяв наличии устройства вывода без какой-либо аппаратной зависимости.
Каковые перспективыразвития системы MS-DOS? Можно предположить, что система MS-DOS, требующаяотносительно небольшой памяти, легко адаптируемая к разнообразным аппаратнымконфигурациям и имеющая громадное число пользователей, останется популярнойсреди программистов и издателей программного обеспечения в течение ближайшегобудущего.
Операционная система OS/2разработана фирмой IBM для персональных компьютеров на основе системнойприкладной архитектуры, ранее используемой для больших ЭВМ. Это многозадачная,однопользовательская, высоконадежная операционная система. OS/2 обеспечивает:
– одновременнуюобработку нескольких приложений;
– текстовой играфический интерфейс пользователя;
– многопоточнуюобработку нескольких задач одного приложения;
– 32-разряднуюобработку данных;
– сжатие данных призаписи на магнитные диски;
– защиту памяти.
Важными особенностямиоперационной системы OS/2 явля-ются высокопроизводительная файловая системаHPFS (High Perfomance System), имеющая преимущества для серверов баз данных (вотличие от MS-DOS поддерживаются длинные имена файлов), поддержкамультипроцессорной обработки (до 16-ти процессоров типа INTEL и Power PC).Версия OS/2 Warp работает с мультисредой и имеет встроенный доступ в сетьInternet, систему распознавания речи VoiceType, интегрированную версию LotusNotes Mail для передачи через Internet электронной почты. В OS/2 могутвыполняться прикладные программы Windows 3.1 и Win32s, но не могут выполнятьсяприложения, работающие в среде Windows 95 или Windows NT. Спецификация Open 32позволяет поставщикам программного обеспечения переносить его на новуюплатформу.
Сетевые операционныесистемы – это комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранениеданных в сети.
Сетевая ОС предоставляетпользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электроннаяпочта, процессы управления сетью и др.), поддерживает работу в абонентскихсистемах, использует архитектуру клиент–сервер. Вначале сетевые операционныесистемы поддерживали лишь локальные вычислительные сети (ЛВС), сейчас онираспространяются на ассоциации локальных сетей. Наибольшее распространение имеют LAN Server, NetWare,VINES, Windows NT, Windows 95.
Они оцениваются покомплексу критериев: производительность, разнообразие возможностей связипользователей, администрирования.
Перспективной являетсямногопользовательская и многозадачная операционная система Unix, созданнаякорпорацией Bell Laboratory. Данная операционная система реализует принципоткрытых систем и широкие возможности по комплексированию в составе однойвычислительной системы разнородных технических и программных средств.
Unix обладает важнымикачествами:
– возможностьпереноса прикладных программ с одного компьютера на другой;
– поддержкараспределенной обработки данных в сети ЭВМ;
– сочетаемость спроцессорами RISC.
Unix получилараспространение для суперкомпьютеров, рабочих станций и профессиональныхперсональных компьютеров, имеет большое количество версий, разработанныхразличными фирмами. Согласно прогнозам объем мирового рынка вычислительныхсистем, базирующихся на ОС Unix, будет существенно возрастать, особенно спереходов к сетевым технологиям.
Операционная система Windows 95 – популярная графическая ОС,которая запускается на выполнение, как обычная программа MS-DOS. Windowsработает на базе MS-DOS, и в совокупности с ней образует полноценную ОС. Нарядус Windows существуют и другие ОС с аналогичным пользовательским интерфейсом длякомпьютеров различных классов.
Следует назвать теконцептуальные черты Windows, благодаря которым она получила широкоераспространение и, по заявлению фирмы Microsoft, изменит способ работы с ПЭВМ:
1. Мультизадачный режим работы.
Различают два типамультизадачности: кооперативную и преемптивную (с разделением времени).
При кооперативноммультизадачном режиме ОС не выполняет полноценный контроль за распределениемресурсов.
При преемптивноммультизадачном режиме каждая задача получает фиксированный квант временипроцессора. По истечении этого кванта времени система вновь получаетуправление, чтобы выбрать другую задачу для активизации. Если возникаетсистемное событие (завершение ввода-вывода) или задача обращается к системе доистечения ее кванта времени, то это также служит причиной передачи управлениясистеме и последующего переключения задач.
2. Оптимальное управление ресурсамикомпьютера.
3. Графический пользовательскийинтерфейс.
4. Наличие техники связывания ивстраивание объектов других программ.
5. Возможность работы в сетевой среде.
6. Интерфейс мультимедиа.
Операционная системаWindows NT является многозадачной, предназначенной для архитектурыклиент–сервер и использования различных протоколов транспортного уровня сетевойоперационной системы, имеет 32-разрядную архитектуру и обеспечивает функциилокальной сети:
– возможностькаждой абонентской системы в сети быть сервером или клиентом;
– совместную работугруппы пользователей;
– адресациюоперативной и внешней памяти большого раз-мера;
– многозадачность имногопоточность обработки данных;
– поддержкумультипроцессорной обработки и др.
Операционные оболочки –это специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователяс командами операционной системы.
Операционные оболочкиимеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя.
Наиболее популярныследующие виды текстовых оболочек операционной системы MS-DOS: Norton Commander 5.0, Norton Navigator, Windows Commander, FAR.
Эти программы существенноупрощают задание управляющей информации для выполнения команд операционнойсистемы, уменьшают напряженность и сложность работы конечного пользователя.
Во всем мире имеютогромную популярность такие графические оболочки MS-DOS, как Windows 9x, которые позволяют изменить средувзаимодействия пользователя с компьютером, расширяют набор основных (диспетчерфайлов, графический редактор, текстовый редактор, картотека и т. п.) исервисных функций, обеспечивающих пользователю интегрированную информационнуютехнологию, вплоть до создания локальных одноранговых сетей.
3.2.2 Состав и структураоперационной системы MS-DOS
В состав MS-DOS входятследующие компоненты (рис. 3.6):
1) системный загрузчик SB (System Bootstrap, Boot record);
2) несистемный загрузчик NSB (Master Boot Record, Non System Bootstrap);
3) модуль расширения EM BIOS (Extension Module);
4) базовый модуль BM (Basic Module) MS-DOS;
5) интерпретатор команд CI (CommandInterpreter), или командный процессор;
6) внешние(устанавливаемые) драйверы устройств;
7) утилиты DOS;
8) оболочка MS-DOSShell ;
9) инструментальныесредства.
/>
Рис. 3.6. Основные модулиDOS
Часто полагают, что всостав DOS входит также базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input/OutputSystem), которая находится в постоянном или полупостоянном запоминающемустройстве каждого IBM-совместимого компьютера. Несмотря на то что она невходит в поставку DOS, с этим можно согласиться, однако необходимо помнить, чтоBIOS является неотъемлемой частью ПК и может рассматриваться как компонентлюбой операционной системы, запускаемой на данном ПК.
Внесистемный загрузчикNSB (Non System Bootstrap, Master Boot Record), размещенный на жестком дискекомандой FDISK.exe, также можетсчитаться компонентом как DOS, так и любой другой операционной системы,способной функционировать на данном компьютере.
Все компоненты DOS,исключая BIOS, размещаются на одном или нескольких магнитных дисках вспециальных областях и файлах. Один из дисков обеспечивает занесение DOS в памятьи запуск ее в работу. Этот процесс называется загрузкой DOS, а диск, с котороговозможна загрузка системы, называется системным. На структуру системного дисканакладываются определенные ограничения, связанные с порядком размещения на немважнейших файлов DOS.
Здесь и в дальнейшем,если не приводятся необходимые уточнения, под диском понимается как жесткий,так и гибкий диск.
Описание функций ипостоянного местонахождения перечисленных компонентов DOS содержится в таблице3.2.
Таблица 3.2Компонента Местонахождение Функции при загрузке
в процессе
работы BIOS ПЗУ
1) загрузка драйверов стандартных устройств;
2) тестирование оборудования;
3) инициализация векторов прерывания нижнего уровня;
4) считывание NSB Управление стандартными ПУ NSB
Стартовый сектор физического жесткого диска:
1-й сектор,
0-я головка,
0-я дорожка Считывание в память SB и запуск SB Стартовый (0) сектор каждого логического диска Считывание в память и запуск EM BIOS и BM-DOS EM BIOS Файл IO.sys
1) определение состояния оборудования и установка в исходное состояние включенных ПУ;
2) подключение драйвера сжатия дисков DBLSPACE.bin;
3) конфигурирование MS-DOS по указаниям в файле Config.sys. Подключение внешних драйверов и установка параметров системы;
4) запуск BM-DOS
1) организация интерфейса с BIOS;
2) расширение возможностей BIOS Внешние драйверы устройств Отдельные файлы
1) управление нестандартными ПУ;
2) управление стандартными ПУ BM-DOS
Файл
MS-DOS.sys
1) инициализация векторов прерывания верхнего уровня;
2) инициализация своих внутренних таблиц;
3) считывание в память и запуск CI Управление ресурсами ЭВМ и выполняемыми программами CI Файл Command.com
1) Инициализация трех векторов прерывания, которые он обрабатывает;
2) Выполнение файла Autoexec.bat.
1) прием команд MS-DOS с клавиатуры;
2) выполнение внутренних команд;
3) загрузка программ в память для выполнения;
4) обработка прерываний по завершению задач Утилиты Отдельные файлы
1) выполнение внешних команд;
2) реализация сервисных услуг в интерактивном режиме /> /> /> /> />
В процессефункционирования системы BIOS реализует наиболее простые и универсальныефункции DOS по управлению стандартными (основными) периферийными устройствами(ПУ), в частности, по организации ввода-вывода.
Выделение BIOS вотдельный компонент позволяет ”скрыть” архитектурные особенности конкретноймодели ПК и обеспечить независимость программного обеспечения от ПУ.
BIOS содержит:
1) драйверы стандартныхПУ;
2) тестовые программы дляконтроля работоспособности оборудования;
3) программу начальнойзагрузки.
Драйверы стандартныхустройств – это программа, обслуживающая некоторые ПУ.
Драйвер выполняетследующие функции:
– принимаетзапросы на обращение к ПУ;
– преобразуетзапросы в команды управления устройством с учетом всех деталей конструкции иособенностей работы устройства в реальном масштабе времени;
– обрабатываетпрерывания обслуживаемого ПУ. Следовательно, драйвер является промежуточнымзвеном (посредником) между обращающимися к ПУ программами и самим ПУ.
Наряду с реальными,драйвер может обслуживать и виртуальные устройства, т. е. имитироватьфизические ПУ с использованием других компонентов ПК (оперативной и внешнейпамяти). Драйверами считаются также программы, обеспечивающие управлениедополнительной памятью компьютера.
Программа начальной загрузки(BIOS) – первичный загрузчик –является системнонезависимой и способна запускатьв работу любую операционную систему на данном ПК.
Доступ к средствам BIOSосуществляется главным образом через аппарат прерываний. Она совместно смодулем расширения (EM BIOS) обрабатывает семейство прерываний, называемыхпрерываниями нижнего уровня (услуги BIOS считаются низкоуровневыми).
Таким образом, BIOS – этосамый нижний, наиболее близкий к оборудованию, компонент DOS.
NSB – вторичныйзагрузчик, обеспечивает загрузку с жесткого диска одной из отмеченныхспециальным образом операционных систем (обычно это DOS).
SB – системный загрузчикориентирован строго на DOS и способен обеспечивать загрузку только даннойсистемы. Он имеется на каждом диске, подготовленном для работы в среде DOS,даже если диск не является системным.
Все три загрузчикасчитываются в память и выполняются строго последовательно. Если загрузка DOSпроизводится с гибкого магнитного, а не жесткого диска, то первичный загрузчиксчитывает непосредственно SB и передает ему управление.
EM BIOS в процессефункционирования DOS является надстройкой над BIOS, модифицируя и/или дополняяее возможности.
При загрузке DOS данныммодулем обеспечивается возможность как логической замены драйверов, хранящихсяв BIOS, так и подключения новых драйверов. Необходимость в этом возникает приизменении конфигурации ПУ (BIOS гораздо консервативнее самой DOS) и потребностив использовании имеющихся ПУ нестандартным образом.
Драйверы могут находитьсякак внутри EM BIOS, так и вне его, т.е. храниться в отдельных файлах. В первомслучае они называются внутренними (основными), а во втором – внешними(устанавливаемыми). Наряду с внутренними драйверами EM BIOS содержит рядуправляющих блоков и таблиц.
Внутренние драйверыподключаются к системе при загрузке DOS автоматически, а внешние – по указаниямв файле конфигурации системы CONFIG.SYS. Исключение составляет один из внешнихдрайверов, а именно драйвер DBLSPACE.BIN, управляющий сжатыми логическимидисками, который подключается к системе автоматически (при условии, что онобнаружен на своем законном месте), причем до обработки файла CONFIG.SYS. Еслисжатые логические диски отсутствуют, то подключение драйвера DBLSPACE.BIN непроизводится, в результате чего освобождается дополнительное пространство длявыполнения программ. Когда драйвер на своем месте не обнаружен, то DOSобходится и без него, не отображая никаких, даже предупреждающих, сообщений.Раннее автоматическое подключение этого драйвера позволяет хранить практическивсе файлы DOS на сжатом диске, получающем имя С.
Некоторые драйверынежелательно помещать в BIOS или в его расширение по той причине, что онииспользуются не на каждой модели ПК и не каждым пользователем. В этом случаедрайверы оформляются как внешние и подключаются только при необходи-мости, чтоповышает эффективность DOS. Возможность подключения внешних драйверовсущественно облегчает адаптацию системы к новым ПУ, не требуя модификацииосновных ее компонентов.
Если файл CONFIG.SYSотсутствует, то никакие внешние драйверы, за исключением упомянутого драйвера,к системе не подключаются, а параметры DOS устанавливаются по умолчанию.
Драйверы из BIOS, EM BIOSи подключенные внешние драйверы можно рассматривать как единое целое, котороеназывается подсистемой ввода-вывода. Она содержит драйверы, одни из которыхявляются обязательными, другие – факультативными.
Драйверы подсистемыввода-вывода:
– накопители нагибких и жестких магнитных дисках;
– дисплея иклавиатуры;
– принтера;адаптеров интерфейсов (последовательных и параллельных портов);
– фиктивногоустройства (вывод в это устройство воспринимается, но данные отбрасываются; припопытке ввода с этого устройства немедленно опознается конец файла);
– виртуальногодиска (имитатора в оперативной памяти реального диска);
– расширенной,отображаемой, высокой и верхней памяти;
– подсистемыуправления энергопотреблением;
– подсистемы межкомпьютерной связи;
– для управлениясжатыми дисками;
– кэшированиядисков;
– подмены версииDOS.
Часто к DOS могутподключаться не входящие в состав системы внешние драйверы, в частности,драйвер манипулятора типа ”мышь”.
NSB, SB и подсистемаввода-вывода образуют машинозависимую часть DOS.
BM-DOS – это центральныйкомпонент DOS, реализующий основные функции операционной системы.
Управление ПУ с помощьюBM DOS осуществляется на более высоком уровне, чем управление посредствомдрайверов на основе организации обращений к драйверам. Именно здесь находитсяфайловая система, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Основаниеэтой системы образует подсистема ввода-вывода. Файловая система являетсянаиболее развитой функциональной частью DOS.
Основу BM DOS составляютобработчики прерываний верхнего уровня. Обращение к BM DOS возможно толькочерез механизм прерываний. Именно прерывания верхнего уровня выдают большинствопрограмм, работающих под управлением DOS. Обработчики этих прерываний, в своюочередь, могут генерировать прерывания нижнего уровня.
Компоненты подсистемыввода-вывода, загружаемые с диска, и BM DOS в процессе работы системы находятсяв оперативной памяти постоянно (резидентно).
В то время как BIOS, EMBIOS и BM DOS в совокупности управляют ресурсами компьютера, интерпретаторкоманд CI отвечает за поддержку пользовательского интерфейса DOS.
Пользователь общается ссистемой путем передачи ей команд, которые она в состоянии проинтерпретировать.Под командой традиционно понимается указание на выполнение некоторого действия.
Файл автозапускаAUTOEXEC.BAT, исполняемый CI в процессе загрузки системы, включает команды DOSи запросы на выполнение программ, которые пользователь должен регулярновыдавать после запуска DOS в работу (например для загрузки резидентныхпрограмм). Это освобождает пользователя от частого выполнения рутинныхопераций. Если файл AUTOEXEC.BAT отсутствует, то CI выдает запросы на установкудаты и времени.
CI состоит из двухмодулей: резидентного и транзитного.
Резидентный модульхранится после запуска DOS в оперативной памяти постоянно и включаетобработчики трех важных прерываний, а также код подгрузки транзитного модуляCI.
Транзитный(нерезидентный) модуль может перекрываться в оперативной памяти выполняемымипрограммами, а затем восстанавливаться путем считывания с диска. Этот модульсодержит исполнитель так называемых внутренних команд DOS и загрузчик программв оперативную память для выполнения.
Внутренними являютсякоманды DOS, которые обычно используются чаще других.
Доступ к CIосуществляется по прерываниям от клавиатуры и другим программным прерываниям,которые он обслуживает.
Дополнительно к тому, чтоуже отмечалось, EM BIOS, BM DOS и CI содержат коды инициализаций, выполняемыетолько при загрузке DOS и затем уничтожаемые для освобождения памяти.
Утилиты – этообслуживающие программы, которые предоставляют пользователю сервисные услуги.Утилиты DOS делятся на две категории:
1) не диалоговые утилиты,к которым относятся также утилиты, способные выдавать пользователю ряд простыхзапросов, но не поддерживающие высокоразвитый пользовательский интерфейс;
2) интерактивные утилиты,имеющие развитый полноэкранный, организованный в виде меню интерфейс.
Очевидно, выполненноеразделение весьма условно, но без него трудно отдать дань традиции в трактовкевнешней команды DOS.
Внешней командой DOSсчитают команду, реализуемую утилитами первой или второй категории, но в недиалоговом режиме. Внешней команда именуется потому, что она реализуется не CI,а отдельной программой – утилитой. Внешние команды дополняют пользовательскийинтерфейс системы. DOS имеет вполне определенный перечень внешних команд.
Оболочка MS-DOS Shell –это надстройка над CI, внешне напоминающая Windows, которая упрощает работупользователя в среде DOS и предоставляет ему ряд дополнительных возможностей.
Достоинствами оболочкиMS-DOS Shell являются:
– возможностьвыделения файлов для групповых операций в различных каталогах, применениягрупповых операций к найденным файлам;
– поддержкасоздания и использования высокоразвитого меню программ;
– обеспечениепереключения задач;
– компактностьрезидентного кода (около 4,5 кбайт).
Недостатки MS-DOS Shell:
– отсутствиеподдержки манипулирования поддеревьями файловой структуры;
– невозможностьработы с архивами;
– слабые средствавизуализации файлов.
Несмотря на наличиенеоспоримых достоинств, оболочка MS-DOS Shell не пользуется заметнойпопулярностью.
К инструментальнымсредствам DOS принадлежат:
– системапрограммирования MS-DOS QBasic (Quick Basic), построенная на основеинтерпретации;
– отладчик Debug,позволяющий тестировать и отлаживать исполняемые файлы;
– текстовыйредактор MS-DOS Editor, обеспечивающий подготовку исходных программ, а такжепростых текстовых доку-ментов.
BM DOS, CI, утилиты,оболочка и инструментальные средства DOS составляют ее машинонезависимую часть.Конечно, понятие «машинонезависимость» весьма условно, поскольку влюбом случае необходим микропроцессор, совместимый смикропроцессором 8086/88 фирмы Intel. Именно эти и более совершенныемикропроцессоры применяются в IBM-совместимых ПК.
Не все компоненты DOS,размещаемые в файлах, необходимы для того, чтобы DOS была в состоянии работать.Их отсутствие лишь ограничивает функциональные возможности системы.
Минимальная конфигурация MS-DOS включает: EM BIOS (файл IO.SYS), BM DOS (файлMSDOS.SYS) и CI (файл COMMAND.COM), если не принимать во внимание BIOS, NSBи BR.
Ограничения,накладываемые на структуру системного диска:
− файлы IO.SYS и MSDOS.SYSрегистрируется на первой и второй позициях корневого каталога системного дискасоответственно (первой здесь считается позиция элемента корневого каталога,следующая за стандартным обязательным элементом, обозначаемым точкой);
− файл COMMAND.COM находится в любомместе корневого каталога системного диска;
− если имеются файлы DBLSPACE.BIN,CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT, то они также должны содержаться в корневом каталогесистемного диска.
Если в файле CONFIG.SYS сделатьспециальное указание командой SHELL, то файл COMMAND.COM можно разместить влюбом каталоге системного диска или любом другом месте диска, если он доступен(является «установленным») во время загрузки DOS.
Остальные файлы DOS могутрасполагаться в любых каталогах каких угодно дисков. Однако необходимо хранитьих в единственном каталоге жесткого диска.
Приведенные ограничениясправедливы только в том случае, когда системный диск не сжат компрессоромDoubleSpace. Если эта операция произведена, то в корневом каталоге несжатойчасти системного диска должны оставаться только файлы IO.SYS, MSDOS.SYS иDBLSPACE.BIN, а также еще не упоминавшийся файл конфигурации компрессора,создаваемый им автоматически и имеющий имя DBLSPACE.INI. Файлы COMMAND.COM,CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT будут считываться из корневого каталогасоответствующего сжатого логического диска, поэтому они обязаны находитьсяименно в нем, если в каждом из данных файлов есть необходимость. Объясняетсяэто тем, что после подключения к системе драйвера DBLSPACE.BIN имя привода,закрепленное за системным диском, присваивается сжатому логическому диску, асам системный диск получает другое имя. Например, если загрузка производится сдиска С:\ и он сжат компрессором DoubleSpace, то при подключении драйвераDBLSPACE.BIN имя С:\ получает сжатый диск, созданный на диске C:\, и загрузкаестественным образом продолжается с него.
Несмотря на сказанное,необходимо хранить копии файлов COMMAND.COM, CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT также ив корневом каталоге несжатой части системного диска. Если последняярекомендация выполнена, то ПК можно будет загрузить даже тогда, когда доступ ксжатому логическому диску становится невозможным в случае возникновения на немлогических дефектов. После загрузки DOS недоступность сжатого логического дискастанет очевидной, и пользователь сможет предпринять адекватные возникшейситуации меры.
3.3 Операционная система MS-DOS
3.3.1 Логическаяструктура дисков
Все винчестеры ифлоппи-диски, поддерживаемые MS-DОS, за рядом исключений имеют сходныйлогический формат.
Под логическим форматомпонимается то, что на диске резервируются определенные области для храненияслужебной информации, необходимой операционной системе для работы с этимустройством.
Процесс создания изаполнения этих областей носит название логического форматирования.
Для создания логическойструктуры диска используются специальные программы, входящие обычно в составоперационной системы или существующие как независимые утилиты. Содержимоесоздаваемых областей может полностью или частично заполняться и изменяться нетолько во время форматирования, но и в процессе последующей работы с даннымдиском.
3.3.1.1 Логическаяструктура гибкого магнитного диска
Практически каждый дисксодержит следующие области: загрузочная запись или сектор BR (Boot Record), две(одну) таблицы размещения файлов (FAT – File Allocation Table), корневойкаталог RD (Root Directory) и область данных DA (Data Area) (рис. 3.7,3.8).
/>
Рис. 3.7. Логическаяструктура гибкого магнитного диска
/>
Рис. 3.8. Структурасистемной области
Загрузочный сектор BR(SB) (рис. 3.9) каждого диска занимает по определению только один сектор ихранится в логическом секторе 0. В нем содержится некоторая информация одиске и небольшая программа IPL (2) (Initial Program Loading 2). Почему именно2, а не 1, будет ясно из дальнейшего объяснения. Первым байтом этогосектора должен быть либо код безусловного перехода JMP (E9h) с последующим16-битным смещением, либо код «короткого» (short) перехода JMP (EBh)с 8-битным смещением, причем третьим байтом в этом случае является код операцииNOP (90h). Заканчивается сектор определенной кодовой комбинацией – сигнатурой(AA55h). Сразу за инструкцией JMP в этом секторе следует 8-байтное поле,резервируемое для идентификации имени и версии OEM (Original EguipmentManufacturer). Программы форматирования традиционно записывают здесьASCII-строку, содержащую марку и версию используемой операционной системы илинаименование пакета, например MSDOSn.n либо PCTools.
/>
Рис. 3.9. Структуразагрузочного сектора
Безусловно, главнымкомпонентом сектора BR является так называемый блок параметров BIOS BPB (BIOS Parameter Block). Этоважнейшая структура данных, содержащая важную информацию: тип носителя (mediadescriptor), количество используемых байт на сектор и секторов на кластер,количество копий FAT и др.
Последний элемент сектораBR – это программа IPL2. Начальная инструкция JMP в этом секторе выполняетпереход на точку входа именно этой программы.
Таблица размещения файловрасполагается непосредственно после загрузочной записи и имеет переменныйразмер (в секторах). FAT используется для хранения сведений о размещении файловна диске. Эта таблица состоит из элементов (12- или 16-битных), каждый изкоторых соответствует определенному участку дискового пространства исоответствующим кодом характеризует его состояние: занят, свободен или имеетдефект. В самом начале каждой таблицы FAT (первый элемент) хранится дескриптор(media descriptor), определяющий тип носителя (например для жесткого диска –F8h).
Минимальным элементом,которым MS-DOS оперирует при работе с дисками, является не сектор, а кластер.Кластеры состоят из нескольких секторов (2, 4 и т. д.).
Для дисков с магнитнымносителем обычно используется две копии FAT, которые следуют одна за другой.Содержимое их полностью дублируется.
Корневой каталог дискавсегда занимает строго фиксированное место – сразу за последней таблицей FAT.Он состоит из ограниченного числа 32-байтных записей, каждая из которыхсодержит информацию о файле или другом каталоге (подкаталоге), а также меткедиска.
Корневая директориявключает список всех файлов на дискете, его элементы содержат всю информацию офайле, за исключением сведений о размещении файла, которые хранятся в таблицеразмещения файлов. Любой элемент имеет длину 32 байт и включает восемь полей(все они выравниваются по левой границе, пустые байты заполняются пробелами):
1) имя файла – 8 байт.Если первый байт имеет значение Е516, то элемент не используется,если 2Е16, то этот элемент указывает на директорий нижнего уровня;
2) расширение имени файла– 3 байт;
3) атрибут – 1 байт.Используется для установления признака:
– «толькочтение» (нулевой бит);
– скрытого файла(первый бит);
– системного файла(второй бит);
– признака меткитома (третий бит);
– признакаподдиректории (четвертый бит);
– признакаархивного файла (пятый бит);
– шестой и седьмойбиты этого байта резервные.
Если задан признак меткитома, то этот элемент содержит не ссылку на файл, а имя диска, которое занимаетпервые 11 байт. Архивный бит используется утилитами BACKUP и RESTORE;
4) зарезервированное поледля возможного использования в будущем – 10 байт;
5) время – 2 байт. Здесьхранится время создания или последней модификации файла. Первые 5 бит занимаютчасы, вторые 3 бит – минуты, третьи 5 бит – секунды. В последнем полекаждая единица соответствует 2 с;
6) дата – 2 байт. Здесь хранится дата создания последней модификации файла. Первые 7 бит занимаютгоды, которые отсчитываются от значения 1980 (от 1980 г.), вторые 4 бит – месяцы, третьи 5 бит – дни;
7) номер начальногокластера – 2 байт. Начальный кластер является первой частью пространства данныхв файле на дискете;
8) размер файла – 4 байт.Наличие этого поля связано с тем, что файл обычно частично занимает последнийотведенный ему кластер, а здесь указывается его точная длина.
Все остальное место надиске занимает область данных, содержащая файлы данных или подкаталогов.
3.3.1.2 Логическаяструктура жесткого магнитного диска
Особенности логическойструктуры жесткого магнитного диска обусловлены наличием несистемногозагрузчика NSB (главный загрузочный сектор MBR – MASTER BOOT RECORD).
Каждый жесткий диск (какотдельное электронное устройство) имеет еще одну область, которая называетсяглавной загрузочной записью, или сектором MBR, или несистемным загрузчиком(NSB). Единый жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков, скоторыми она может работать как с отдельными устройствами. Именно поэтомуфизические сектора на жестком диске могут характеризоваться в двух системахкоординат: физической (сектор, головка, цилиндр) и логической (номерлогического сектора).
Для MBR на жестком дискевсегда выделяется физический сектор 1 (сектор 1, головка 0, цилиндр 0).Логического номера он не имеет, так как является общим для всех логическихдисков.
Этот сектор содержитпрограмму IPL1 (Initial Program Loa-ding 1), расположенную в его начале,которая при своем выполнении сканирует содержимое второго важного элемента MBR– таблицу разделов диска (Partition Table) (рис. 3.10), состоящую, в своюочередь, из четырех 16-байтных элементов (разделов), разбитых на поля. Онисодержат информацию о номерах начального и конечного секторов, номерах головоки цилиндров для соответствующего раздела, а также числе секторов,предшествующих разделу и включенных в раздел. Из четырех разделов, на которыеможет быть поделен диск, только два могут принадлежать MS-DOS: первичный(Primary) и расширенный (Extended), два оставшихся резервируются для другихоперационных систем: OS/2, Xenix, UNIX, Windows NT и т. д.
/>
Рис. 3.10. Структура MBR
Не следует отождествлятьпонятия «раздел» и «логический диск», поскольку, например,с расширенным разделом могут быть связаны несколько логических дисков.
Байт поля «Признакзагрузки» используется программой IPL1 (при ее выполнении) для выяснения,какой из разделов диска содержит загружаемую операционную систему. Активный(загружаемый) раздел в этом поле содержит код 80h, остальные разделы должныбыть помечены кодом 00h.
В поле «Началораздела» хранятся номера головки, сектора и цилиндра стартового секторараздела; в поле «Конец раздела» – соответствующие величины дляконечного сектора этого раздела.
Число секторов до началараздела хранится в 4-байтном поле «Относительный сектор». Это числоопределяется путем последовательного подсчета секторов, начиная с сектора 1,головки 0, цилиндра 0 физического диска, и увеличения номера сектора надорожке, затем номера головки и цилиндра.
Число секторов в разделехранится в 4-байтном поле «Размер». Как и для предыдущего поля,первое слово содержит младшую часть числа, второе – старшую.
Еще одно важное полеэлементов таблицы разделов – «Тип раздела». Код в нем указывает,какой именно операционной системе принадлежит данный раздел.
Если поле «Типраздела» содержит код 05h (Extended-раздел), то физический сектор,определяемый в поле «Начало раздела» диска, является вовсе незагрузочным сектором (BR) расширенного раздела, а вторичным главным загрузочнымсектором жесткого диска SMBR (Secondary Master Boot Record). Этот секторсодержит собственную таблицу разделов, называемую таблицей логическогодиска LDT (Logical Drive Table), и непременную сигнатуру AA55h. Этатаблица и определяет местоположение и размер раздела, с которым MS-DOSобращается как с отдельным физическим диском.
Отличия SMBR-сектора отMBR-сектора:
– во-первых, он несодержит программы IPL1 и соответственно никогда не определяет загрузочныйдиск;
– во-вторых,таблица логического диска включает максимум два 16-байтных элемента, а нечетыре, как основная таблица разделов. Причем, если поле «Типраздела» первого элемента таблицы определяет размер элемента FAT, то такоеже поле второго элемента таблицы (если он существует) содержит код Extended-раздела– 05h. Таким образом, второй элемент таблицы логического диска может определятьследующий вторичный загрузочный сектор и т. д.
Каждый диск, определяемыйтаблицей логического диска, содержит сектор BR, две копии FAT, корневуюдиректорию и, безусловно, область данных (рис. 3.11).
/>
Рис. 3.11. Логическаяструктура жесткого магнитного диска
Таким образом,Extended-раздел может быть поделен на логические диски от D до Z по количествубукв латинского алфавита.
3.3.2 Начальная загрузкаMS-DOS
При загрузке илиперезагрузке системы выполнение начинается с адреса OFFFFOH (рис. 3.12). Этоопределяется особенностями семейства микропроцессоров 8086/8088, а не самойсистемы MS-DOS. Системы, базирующиеся на этих процессорах, сконструированы так,что адрес OFFFFOH лежит внутри области ПЗУ и содержит машинную команду передачиуправления программе проверки системы и программе начального загрузчика ПЗУ.
Программа начальногозагрузчика ПЗУ считывает в некоторую область памяти программу дисковогоначального загрузчика, начиная с первого сектора загружаемого диска (секторзагрузчика), и затем передает ей управление. Кроме того, сектор загрузчикасодержит таблицу с информацией о формате диска.
Программа дисковогоначального загрузчика проверяет наличие на диске копии операционной системыMS-DOS. Для этого считывается первый сектор корневого каталога и определяется,являются ли его первые два файла системными файлами IO.SYS и MSDOS.SYS (илиIBMBIO.COM и IBMDOS.COM) (в указанном порядке). Если этих файлов там нет, топользователю предлагается сменить диск и нажать на произвольную клавишу дляновой попытки. Если оба системных файла найдены, то дисковый начальныйзагрузчик считывает их в память и передает управление на точку входа модуляIO.SYS. В некоторых реализациях дисковый начальный загрузчик считывает в памятьтолько файл IO.SYS, который, в свою очередь, загружает файл MSDOS.SYS.
Файл IO.SYS, загруженныйс диска, обычно состоит из двух отдельных модулей. Первый из них BIOS содержитсвязанный набор резидентных драйверов таких устройств, как консоль,последовательный порт, печатающее устройство, блочно-ориентированное устройствои таймер, а также программу инициализации, выполняемую только при начальнойзагрузке системы.
Второй модуль SYSINIT,поддерживаемый системой Microsoft, компонуется в файл IO.SYS, как и BIOS,изготовителем компьютера.
/>
Рис. 3.12. Алгоритмзагрузки системы MS-DOS
SYSINIT вызывается спомощью программы инициализации BIOS. Модуль определяет величину непрерывнойпамяти, доступной системе, и затем располагается по ее старшим адресам. Далеемодуль переносит ядро системы DOS MSDOS.SYS из области ее начальной загрузки вобласть окончательного расположения в памяти, перекрывая начальную программуSYSINIT в любую другую расширяемую программу инициализации, которая содержаласьв файле IO.SYS.
Далее SYSINIT вызываетпрограмму инициализации в модуле MSDOS.SYS. Ядро DOS инициализирует еевнутренние таблицы и рабочие области, устанавливает векторы прерываний поадресам с 2OH по 2FH и перебирает связанный список резидентных драйверовустройств, вызывая функцию инициализации для каждого из них.
Функции драйверовопределяют состояние оборудования, выполняют всю необходимую инициализациюаппаратуры и устанавливают векторы для внешних аппаратных прерываний имеющихсядрайверов.
В процессе инициализацииядро DOS проверяет блоки параметров диска, возвращаемые с помощью резидентныхдрайверов блочно-ориентированных устройств, определяет наибольший размерсектора, который будет использован в системе, строит блоки параметров дисководаи выделяет буфер сектора диска, затем управление передается модулю SYSINIT.
Когда ядро DOSпроинициализировано и все резидентные драйверы доступны, модуль SYSINIT можетоткрыть файл CONFIG.SYS. Этот необязательный файл содержит различные команды,которые позволяют пользователю настраивать среду MS-DOS. Например, пользовательможет задать дополнительные драйверы аппаратных устройств, число буферов диска,максимально возможное число одновременно открытых файлов и имя файла командногопроцессора (оболочки).
Если файл CONFIG.SYSнайден, он загружается в память для выполнения. Драйверы, указанные в файлеCONFIG.SYS, последовательно загружаются в память, активизируются с помощьювызовов соответствующих модулей инициализации и заносятся в связанные спискидрайверов. Функции инициализации каждого из них сообщают модулю SYSINIT размерпамяти, отведенной под соответствующий драйвер.
После загрузки всехустанавливаемых драйверов SYSINIT закрывает все дескрипторы файлов и открываетвновь консоль (CON), принтер (PRN) и последовательный порт (AUX) как устройствостандартных ввода и вывода, ошибки, печати и последовательного устройства. Этопозволяет символьно-ориентированному драйверу, установленному пользователем,замещать резидентные драйверы BIOS стандартных устройств.
В конце своего выполнениямодуль SYSINIT вызывает функцию EXEC для загрузки интерпретатора команднойстроки, или оболочки. Стандартной оболочкой является COMMAND.COM, однако спомощью файла CONGIG.SYS можно устанавливать и другие оболочки. После загрузкиоболочка высвечивает на экране дисплея запрос и ждет от пользователя вводакоманды. Теперь система MS-DOS готова для работы и модуль SYSINIT уже нетребуется.
3.3.3 Файловая системаMS-DOS
Файловая система MS-DOS –часть операционной системы, управляющая размещением и доступом к файлам икаталогам.
Каталог – справочникфайлов с указанием месторасположения на диске – бывает текущим, в которомработа пользователя производится в текущее машинное время; пассивным, с которымв данный момент времени не имеется связи; родительским, имеющий подкаталог.
Подкаталог – каталог,который входит в другой каталог.
Доступ – процедураустанавливания связи с памятью и размещенными в ней файлами для записи ичтения.
Файл – логическисвязанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешнейпамяти выделяется именованная область.
С понятием файловойсистемы тесно связано понятие файловой структуры диска, под которой понимают,как размещаются на диске главный каталог, подкаталоги, файлы, операционнаясистема, а также какие для них выделены объемы секторов, кластеров, дорожек.
При формировании файловойструктуры диска операционная система MS-DOS работает по определенным правилам:
– файл или каталогмогут быть зарезервированы с одним и тем же именем в различных каталогах, но водном и том же каталоге только один раз;
– порядокследования имен файлов и подкаталогов в родительском каталоге произвольный;
– файл может бытьразбит на несколько частей, для которых выделяются участки дисковогопространства одинакового объема на разных дорожках и секторах.
3.3.3.1 Файлы
Файл служит учетнойединицей информации в операционной системе. Любые действия с информацией вMS-DOS осуществляются над файлами: запись на диск, вывод на экран, ввод склавиатуры, печать, считывание информации CD-ROM и пр.
На диске файл не требуетдля своего размещения непрерывного пространства, обычно он занимает свободныекластеры в разных частях диска. Сведения о номерах этих кластеров хранятся вFAT-таблице.
В файлах могут хранитьсяразнообразные виды и формы представления информации: тексты, рисунки, чертежи,числа, программы, таблицы и т. п. Особенности конкретных файлов определяются ихформами.
Под формами понимаетсяэлемент языка, в символическом виде описывающий представление информации вфайле.
Текстовая информацияхранится в файле в кодах ASCII, в так называемом текстовом формате. Содержимоетекстовых файлов можно просмотреть на экране дисплея с помощью разныхпрограммных средств, в том числе и в MS-DOS.
Любой другой файл снетекстовой информацией просмотреть теми же средствами, что и текстовый файл,не удается. При просмотре на экран будут выводиться абсолютно непонятныесимволы.
Для характеристики файлаиспользуются следующие параметры:
– полное имя файла;
– объем файла вбайтах;
– дата созданияфайла;
– время созданияфайла;
– специальныеатрибуты файла:
1) R (Read only) – толькодля чтения;
2) H (Hidden) – скрытыйфайл;
3) S (System) – системныйфайл;
4) A (Archive) –архивированный файл.
Вся эта информация хранитсяв корневом каталоге логической структуры диска.
3.3.3.2 Каталоги
В операционной системеMS-DOS принята иерархическая структура организации каталогов. На каждом дискевсегда имеется единственный главный (корневой) каталог. Он находится на нулевомуровне иерархической структуры и обозначается символом “\”. Корневойкаталог создается при формировании (инициализации, разметке) диска, имеетограниченный размер и не может быть удален средствами DOS. В главный каталогмогут входить другие каталоги и файлы, которые создаются командами операционнойсистемы и могут быть удалены соответствующими командами.
Таким образом, любойкаталог, содержащий каталоги нижнего уровня, может быть, с одной стороны, поотношению к ним родительским, а с другой – подчиненным по отношению к каталогуверхнего уровня. Если это не вызывает путаницы, употребляют термин«каталог», подразумевая или подкаталог, или родительский каталог взависимости от контекста.
Каталоги на дискахорганизованы как системные файлы. Единственное исключение – корневой каталог,для которого отведено фиксированное место на диске. Доступ к каталогам можнополучить, как к обыкновенному файлу.
Доступ к содержимомуфайла организован из главного каталога, через цепочку соподчиненных каталогов(подкаталогов) n-го уровня.
3.3.3.3 Путь иприглашение
Путь – цепочкасоподчиненных каталогов, которую необходимо пройти по иерархической структуре ккаталогу, где зарегистрирован искомый файл (рис. 3.13).Корневой каталог:\ Родительский каталог:\ Подкаталог:\ Имя файла
Рис. 3.13. Структура пути
Из рисунка видно, чтодоступ к файлу осуществляется через каталог благодаря зарегистрированному в немимени данного файла. Если каталог имеет иерархическую структуру, то доступ кфайлу операционная система организует в зависимости от положения подкаталога, вкотором зарегистрировано имя искомого файла.
Доступ к файлу можноорганизовать следующим образом:
– если имя файлазарегистрировано в текущем каталоге, то достаточно для доступа к файлу указатьтолько его имя;
– если имя файла зарегистрированов пассивном каталоге, то, находясь в текущем каталоге, вы должны указать путь,т. е. цепочку соподчиненных каталогов, через которые следует организоватьдоступ к файлу.
При задании пути именакаталогов записываются в порядке следования и отделяются друг от друга символом”\”.
Взаимодействиепользователя с операционной системой осуществляется с помощью командной строки,индицируемой на экране дисплея. В начале командной строки всегда имеетсяприглашение, которое заканчивается символом “>”. В нем могут бытьотображены имена текущих диска и каталога, текущее время и дата, путь,символы-разделители.
Приглашение операционнойсистемы – индикация на экране дисплея информации, означающей готовностьоперационной системы к вводу команд пользователя.3.4 Сервисное программное обеспечение
3.4.1 Характеристика компьютерных вирусов
28) Массовоеприменение персональных компьютеров оказалось связанным с понятиемсамовоспроизводящихся программ-вирусов, препятствующих нормальной работекомпьютера, разрушающих файловую структуру дисков и наносящих ущерб хранимой вкомпьютере информации. Проникнув в один компьютер, компьютерный вирус способенраспространяться на другие компьютеры.
29) Компьютернымвирусом называется специально написанная программа, способная самопроизвольноприсоединяться к другим программам, создавать свои копии и внедрять их в файлы,системные области компьютера и вычислительные сети с целью нарушения работыпрограммы, порчи файлов и каталогов, создания всевозможных помех в работе накомпьютере.
30) Причиныпоявления и распространения компьютерных вирусов, с одной стороны, скрываются впсихологии человеческой личности и ее теневых сторонах (зависти, мести,тщеславии непризнанных творцов, невозможности конструктивно применить своиспособности), с другой стороны, обусловлены отсутствием аппаратных средствзащиты и противостояния со стороны операционной системы персональногокомпьютера.
31) Несмотряна принятые во многих странах законы о борьбе с компьютерными преступлениями иразработку специальных программных средств защиты от вирусов, количество новыхпрограммных вирусов постоянно растет. Это требует от пользователя персональногокомпьютера знаний о природе вирусов, способах заражения вирусами и защиты отних.
32) Основнымипутями проникновения вирусов в компьютер являются съемные диски (гибкие илазерные), а также компьютерные сети. Заражение жесткого диска вирусами можетпроизойти при загрузке компьютера с дискеты, содержащей вирус. Такое заражениеможет быть и случайным, например, если дискету не вынули из дисковода А иперезагрузили компьютер, при этом дискета может и не быть системной.
33) Заразитьдискету гораздо проще. На нее вирус может попасть, даже если дискету простовставить в дисковод зараженного компьютера и, например, прочитать ееоглавление.
34) Взагрузочном секторе зараженного диска находится программа-вирус.
35) Послезапуска программы, содержащей вирус, становится возможным заражение другихфайлов. Наиболее часто вирусом заражаются загрузочный сектор диска иисполняемые файлы, имеющие расширение COM, EXE, SYS, BAT. Крайне редкозаражаются текстовые и графические файлы.
36) Зараженнаяпрограмма содержит внедренную в нее программу-вирус.
37) Призаражении компьютера вирусом очень важно своевременно его обнаружить. Для этогоследует знать об основных признаках проявления вирусов:
– прекращениеработы или неправильная работа ранее успешно функционировавших программ;
– медленнаяработа компьютера;
– невозможностьзагрузки ОС;
– исчезновениефайлов и каталогов или искажение их содержимого;
– изменениедаты и времени модификации файлов;
– изменениеразмеров файлов;
– неожиданноезначительное увеличение количества файлов на диске;
– существенноеуменьшение размера свободной оперативной памяти;
– выводна экран непредусмотренных сообщений или изображений;
– подачанепредусмотренных звуковых сигналов;
– частыезависания и сбои в работе компьютера.
38) Следуетзаметить, что вышеперечисленные явления необязательно вызываются присутствиемвируса, а могут быть следствием других причин, поэтому всегда затрудненаправильная диагностика состояния компьютера.
39) Внастоящее время известно более 35 000 программных вирусов (по даннымлаборатории Касперского AVP), их можно классифицировать по следующимпризнакам (рис. 3.14):
– средеобитания;
– способузаражения среды обитания;
– воздействию;
– особенностямалгоритма.
/>
Рис. 3.14. Классификациякомпьютерных вирусов:
а – по среде обитания; б– по способу заражения;
в – по степенивоздействия; г – по особенности алгоритмов
40) Взависимости от среды обитания вирусы можно разделить на сетевые, файловые,загрузочные и файлово-загрузочные. Сетевые вирусы распространяются по разнымкомпьютерным сетям. Файловые вирусы внедряются главным образом в исполняемыемодули, т. е. в файлы, имеющие расширения COM и EXE. Файловые вирусы могутвнедряться и в другие типы файлов, но, как правило, записанные в таких файлахони никогда не получают управление и, следовательно, теряют способность кразмножению. Загрузочные вирусы внедряются в загрузочный сектор диска(Boot-сектор) или в сектор, содержащий программу загрузки системного диска(Master Boot Record). Файлово-загрузочные вирусы заражают как файлы, так изагрузочные сектора дисков.
41) Поспособу заражения вирусы делятся на резидентные и нерезидентные. Резидентныйвирус при заражении компьютера оставляет в оперативной памяти свою резидентнуючасть, которая потом перехватывает обращение операционной системы к объектамзаражения (файлам, загрузочным секторам дисков и т. п.) и внедряется в них.Резидентные вирусы находятся в памяти и являются активными вплоть до выключенияили перезагрузки компьютера. Нерезидентные вирусы не заражают память компьютераи являются активными ограниченное время.
42) Простейшиевирусы – паразитические, они изменяют содержимое файлов и секторов диска и могутбыть достаточно легко обнаружены и уничтожены. Можно отметитьвирусы-репликаторы, называемые червями, которые распространяются покомпьютерным сетям, вычисляют адреса сетевых компьютеров и записывают по этимадресам свои копии. Известны вирусы-невидимки, называемые стелс-вирусами,которые очень трудно обнаружить и обезвредить, так как они перехватываютобращения операционной системы к пораженным файлам и секторам дисков иподставляют вместо своего «тела» незараженные участки диска. Наиболеетрудно обнаружить вирусы-мутанты, содержащие алгоритм шифровки–расшифровки,благодаря которым копии одного и того же вируса не имеют ни одной повторяющейсяцепочки байтов. Имеются и так называемые квазивирусные или«троянские» программы, которые хотя и не способны ксамораспространению, но очень опасны, так как, маскируясь под полезнуюпрограмму, разрушают загрузочный сектор и файловую систему дисков.
43) 3.4.2 Способы распространения и структуракомпьютерных вирусов3.4.2.1 Файловые вирусы
Вирус может внедриться вфайлы трех типов:
– командные (ВАТ);
– загружаемыедрайверы (IO.SYS, MSDOS.SYS и др.);
– выполняемыедвоичные файлы (EXE, COM).
44) Возможновнедрение вируса в файлы данных, но эти случаи возникают либо в результатеошибки вируса, либо при проявлении вирусом своих агрессивных свойств.
Внедрение вируса в SYS-файл происходит следующим образом:вирусы внедряются в SYS-файл,приписывают свои коды к «телу» файла и модифицируют адреса программстратегии (Strategy) и прерывания (Interrupt) заражаемого драйвера (встречаютсявирусы, изменяющие адрес только одной из программ). При инициализациизараженного драйвера вирус перехватывает соответствующий запрос операционнойсистемы, передает его драйверу, ждет ответа на него, корректирует его иостается в оперативной памяти вместе с драйвером в одном блоке памяти. Такойвирус может быть чрезвычайно опасным и живучим, так как внедряется воперативную память при загрузке DOSраньше любой антивирусной программы, если она, конечно, тоже являетсядрайвером.
45) Зараженныйфайл-драйвер:
/>
46) Возможнотакже инфицирование системного драйвера другим способом, когда вирусмодифицирует его заголовок так, что DOS рассматривает инфицированный файлкак цепочку из двух (или более) файлов.
47) Зараженныйфайл-драйвер:
/>
48) Аналогичновирус может записать свои коды в начало драйвера, а если в файле содержитсянесколько драйверов, то и в середину файла.
49) Внедрениевируса в COM- и EXE-файлы происходит следующим образом:выполняемые двоичные файлы имеют форматы COM или EXE, отличаются заголовком испособом запуска программ на выполнение. Расширение имени файла (COM или EXE)не всегда соответствует действительному формату файла, что никак не влияет наработу программы. Файлы COM или EXE заражаются по-разному, следовательно, вирусдолжен отличать файлы одного формата от другого.
Вирусы решают эту задачудвумя способами: одни анализируют расширение имени файла, другие – заголовокфайла. Первый способ далее будем называть заражением .COM- (.EXЕ-)файлов, второй способ заражения: COM- (EXE-) файлов. В большинстве случаеввирус инфицирует файл корректно, т. е. по информации, содержащейся в его теле,можно полностью восстановить зараженный файл. Но вирусы, как и большинствопрограмм, часто содержат незаметные с первого взгляда ошибки. Из-за этого дажевполне корректно написанный вирус может необратимо испортить файл при егопоражении. Например, вирусы, различающие типы файлов по расширению имени(.COM-, .EXE-), очень опасны, так как портят файлы, у которых расширение именине соответствует внутреннему формату.
Файловые вирусы прираспространении внедряются в тело заражаемого файла: начало, конец илисередину. Существует несколько возможностей внедрения вируса в середину файла:он может быть скопирован в таблицу настройки адресов EXE-файла («Boot –Exe»), область стека файла COMMAND.COM («Lehigh»), можетраздвинуть файл или переписать часть файла в его конец, а свои коды – восвободившееся место («Apri l – 1– Exe», «Phoenix») и т. д. Кроме того,копирование вируса в середину файла может произойти в результате ошибки вируса.В этом случае файл может быть необратимо испорчен. Встречаются и другие способывнедрения вируса в середину файла, например, вирус «Mutant» применяет методкомпрессирования некоторых участков файла.
Внедрение вируса в началофайла может происходить тремя способами. Первый способ заключается в том, чтовирус переписывает начало заражаемого файла в его конец, а сам копируется восвободившееся место. При заражении файла вторым способом вирус создает воперативной памяти свою копию, дописывает к ней заражаемый файл и сохраняетполученную конкатенацию на диск. При заражении третьим способом вирусзаписывает свои коды в начало файла, не сохраняя старого содержимого началафайла, естественно, что при этом файл перестает работать и невосстанавливается.
Внедрение вируса в началофайла применяется в подавляющем большинстве случаев при поражении COM-файлов. EXE-файлы заражаются таким методом либо в результатеошибки вируса, либо при использовании алгоритма вируса «Pascal».
Внедрение вируса в конецфайла – наиболее распространенный способ заражения. При этом вирус изменяетначало файла таким образом, что первыми выполняемыми командами программы,содержащейся в файле, являются команды вируса. В COM-файле это достигается изменением его первых трех (илиболее) байт на коды инструкции JMP Loc_Virus (или в общем случае – на кодыпрограммы, передающей управление на тело вируса). EXE-файл либо переводится в формат COM-файла и затем заражается какпоследний, либо модифицируется заголовок файла (длина, стартовые адреса).
Стандартным способомзаражения будем называть способ, при котором вирус дописывается в конец файла иизменяет первые байты у COM-файлаи несколько полей заголовка EXE-файла.
Вирус, после передачи емууправления, действует по следующему алгоритму:
– восстанавливаетпрограмму (но не файл) в исходном виде;
– если вирусрезидентный, то он проверяет оперативную память на наличие своей копии иинфицирует память компьютера, если копия не найдена; если вирус не резидентный,то он ищет незараженные файлы в текущем и корневом каталогах, в каталогахотмеченных в команде PATH,сканирует дерево каталогов логических дисков, а затем заражает обнаруженныефайлы;
– выполняет, еслиони есть, дополнительные функции: деструктивные действия, графические илизвуковые эффекты.
– возвращаетуправление основной программе.
3.4.2.2 Загрузочные вирусы
Загрузочные вирусызаражают загрузочный сектор флоппи-диска и Boot-сектор, или Master Boot Record винчестера. При инфицировании дискавирус в большинстве случаев переносит оригинальный Boot-сектор в какой-либо другой сектор диска. Если длинавируса больше длины сектора, то в заражаемый сектор перемещается первая частьвируса, остальные размещаются в других секторах. Затем вирус копирует системнуюинформацию, хранящуюся в первоначальном загрузчике, и записывает их взагрузочный сектор (для MBRэтой информацией является Disk Partition Table, для Boot-сектора дискет – BIOS Parameter Block).
Алгоритм работызагрузочного вируса.
Внедрение в памятьосуществляется при загрузке с инфицированного диска. При этом системныйзагрузчик считывает содержимое первого сектора диска, с которого производитсязагрузка, помещает считанную информацию в память и передает на нее (т. е. навирус) управление. После этого начинают выполняться инструкции вируса, которыйуменьшает объем свободной памяти; считывает с диска свое продолжение; переноситсебя в другую область памяти; устанавливает необходимые векторы прерываний;совершает дополнительные действия; копирует в память оригинальный Boot-сектор и передает на негоуправление.
В дальнейшем загрузочныйвирус ведет себя так же, как резидентный файловый вирус: перехватываетобращения операционной системы к дискам и инициирует их, в зависимости отнекоторых условий совершает деструктивные действия или вызывает звуковые иливидеоэффекты.
3.4.3 Программыобнаружения и защиты
от компьютерных вирусов
50) Длятого чтобы не подвергнуть компьютер заражению вирусами и обеспечить надежноехранение информации на дисках, необходимо соблюдать следующие правила:
1) DrWeb необходимо сочетать с повседневным использованиемревизора диска ADinf;
2) оснаститьсвой компьютер современными антивирусными программами, например Aidstest илиDoctor Web, и постоянно обновлять их версии;
3) передсчитыванием с дискет информации, записанной на других компьютерах, всегдапроверять эти дискеты на наличие вирусов, запуская антивирусные программысвоего компьютера;
4) припереносе на свой компьютер файлов в архивированном виде проверять их сразу жепосле разархивации на жестком диске, ограничивая область проверки только вновьзаписанными файлами;
5) периодическипроверять на наличие вирусов жесткий диск компьютера, запуская антивирусныепрограммы для тестирования файлов, памяти и системных областей диска сзащищенной от записи дискеты, предварительно загрузив операционную системутакже с защищенной от записи системной дискеты;
6) всегдазащищать свои дискеты от записи при работе на других компьютерах, если на нихне будет производиться запись информации;
7) обязательноделать архивные копии на дискетах ценной для вас информации;
8) неоставлять в кармане дисковода A дискеты при включении или перезагрузкеоперационной системы, чтобы исключить заражение компьютера загрузочнымивирусами;
9) использоватьантивирусные программы для входного контроля всех исполняемый файлов,получаемых из компьютерных сетей.
51) Дляобнаружения, удаления и защиты от компьютерных вирусов разработано нескольковидов специальных антивирусных программ.
52) Различаютследующие виды антивирусных программ (рис. 3.15):
– программы-детекторы;
– программы-доктораили фаги;
– программы-ревизоры;
– программы-фильтры;
– программы-вакциныили иммунизаторы.
/>
Рис. 3.15. Виды антивирусных программ
53) Программы-детекторыосуществляют поиск характерной для конкретного вируса последовательности байтов(сигнатуры вируса) в оперативной памяти и файлах и при обнаружении выдаютсоответствующее сообщение. Недостатком таких антивирусных программ является то,что они могут находить только те вирусы, которые известны разработчикампрограмм.
54) Программы-доктора,или фаги, а также программы-вакцины не только находят зараженные вирусамифайлы, но и «лечат» их, т. е. удаляют из файла «тело»программы вируса, возвращая файлы в исходное состояние. В начале своей работыфаги ищут вирусы в оперативной памяти, уничтожают их и только затем переходят к«лечению» файлов.
55) Средифагов выделяют полифаги, т. е. программы-доктора, предназначенные для поиска иуничтожения большого количества вирусов. Наиболее известными полифагамиявляются AVP, Doctor Web, Aidstest, Scan и Norton AntiVirus.
56) Программы-детекторыи программы-доктора быстро устаревают и требуют регулярного обновления ихверсий или антивирусных баз, так как постоянно появляются новые вирусы.
57) Программы-ревизорыотносятся к самым надежным средствам защиты от вирусов. Они запоминают исходноесостояние программ, каталогов и системных областей диска тогда, когда компьютерне заражен вирусом, а затем периодически или по желанию пользователя сравниваюттекущее состояние с исходным. Обнаруженные изменения выводятся на экранвидеомонитора. Как правило, сравнение состояний производят сразу после загрузкиоперационной системы: проверяются длина файла, код циклического контроля(контрольная сумма файла), дата и время модификации, другие параметры.
58) Программы-ревизорыимеют достаточно развитые алгоритмы, обнаруживают стелс-вирусы и могут дажеотличить изменения версии проверяемой программы от изменений, внесенныхвирусом. К числу программ-ревизоров относится широко распространенная в Россиипрограмма ADinf фирмы «Диалог – Наука».
59) Программы-фильтры,или «сторожа», представляют собой небольшие резидентные программы,предназначенные для обнаружения подозрительных действий при работе компьютера,характерных для вирусов:
– попытоккоррекции файлов с расширениями COM и EXE;
– измененийатрибутов файлов;
– прямойзаписи на диск по абсолютному адресу;
– записив загрузочные сектора диска;
– загрузкирезидентной программы.
60) Припопытке какой-либо программы произвести указанные действия «сторож»посылает пользователю сообщение и предлагает запретить или разрешитьсоответствующее действие.
61) Программы-фильтрывесьма полезны, так как способны обнаружить вирус на самой ранней стадии егосуществования до размножения. Однако они не «лечат» файлы и диски.Для уничтожения вирусов требуется применить другие программы, например фаги. Кнедостаткам программ-сторожей можно отнести их «назойливость»(например, они постоянно выдают предупреждение о любой попытке копированияисполняемого файла), а также возможные конфликты с другим программным обеспечением.Примером программы-фильтра является программа Vsafe, входящая в состав пакетаутилит операционной системы MS-DOS.
62) Вакцины,или иммунизаторы, – это резидентные программы, предотвращающие заражениефайлов. Вакцины применяют, если отсутствуют программы-доктора,«лечащие» этот вирус. Вакцинация возможна только от известныхвирусов. Вакцина модифицирует программу или диск таким образом, чтобы это неотражалось на их работе, а вирус будет воспринимать их зараженными и поэтому невнедрится. В настоящее время программы-вакцины имеют ограниченное применение.
63) Своевременноеобнаружение зараженных вирусами файлов и дисков, полное уничтожение вирусов накаждом компьютере позволяют избежать распространения вирусной«эпидемии» на другие компьютеры.
64) Антивирусныйкомплект АО «Диалог – Наука»
Среди обилия современныхпрограммных средств борьбы с компьютерными вирусами предпочтение следует отдатьантивирусному комплекту АО «Диалог – Наука», в который входят четырепрограммных продукта: полифаги Aidstest и Doctor Web, ревизор диска ADinf илечащий блок ADinf Cure Module. Кроме этого можно назвать и такую антивируснуюпрограмму, как AVP, котораясейчас нашла самое широкое применение. Эта программа разработана как подоперационную систему MS-DOS, так и под операционную систему Windows.
Рассмотрим кратко, как икогда надо применять эти антивирусные программы.
Программа AVP-доктор, в зависимости от версии,позволяет определить до 50 000 различных вирусов. Она имеет два режима работы:через командную строку и полноэкранный интерфейс.
65) Программа-полифагDoctor Web (Dr.Web) предназначена, прежде всего, для борьбы с полиморфнымивирусами, которые сравнительно недавно появились в компьютерном мире.Использование этой программы для проверки дисков и удаления обнаруженных вирусовв целом подобно программе Aidstest. При этом дублированная проверка практическине происходит, так как Aidstest и Dr.Web работают на разных наборах вирусов.
66) ПрограммаDr.Web может эффективно бороться со сложными вирусами-мутантами, которыеоказываются не под силу программе Aidstest. В отличие от нее программа Dr.Webспособна обнаруживать изменения в собственном программном коде, эффективноопределять файлы, зараженные новыми, неизвестными вирусами, проникая взашифрованные и упакованные файлы, а также преодолевая «вакцинноеприкрытие». Это достигается благодаря наличию достаточно мощногоэвристического анализатора.
67) Врежиме эвристического анализа программа Dr.Web исследует файлы и системныеобласти диска, пытаясь обнаружить новые или неизвестные ей вирусы похарактерным для вирусов кодовым последовательностям. Если таковые будутнайдены, то выводится предупреждение о том, что объекты, возможно, инфицированынеизвестным вирусом.
68) Предусмотренытри уровня эвристического анализа. В его режиме возможны ложные срабатывания,т. е. детектирование файлов, не являющихся зараженными. Уровень«эвристики» подразумевает уровень анализа кода без наличия ложныхсрабатываний. Чем выше уровень «эвристики», тем выше процент наличияошибок или ложных срабатываний. Рекомендуются первые два уровня работыэвристического анализатора.
69) Третийуровень эвристического анализа предусматривает дополнительную проверку файловна «подозрительное» время их создания.
70) Некоторыевирусы при заражении файлов устанавливают некорректное время создания, какпризнак зараженности данных файлов. Например, для зараженных файлов секундымогут иметь значение 62, а год создания может быть увеличен на сто лет.
71) Вкомплект поставки антивирусной программы Dr.Web могут входить также файлыдополнения к основной вирусной базе программы, расширяющие ее возможности.
72) Программа-полифагAidstest
73) Aidstest– это программа, которая умеет обнаруживать и уничтожать более 1 300компьютерных вирусов, получивших наиболее широкое распространение в России.Версии Aidstest регулярно обновляются и пополняются информацией о новыхвирусах.
74) Антивирус-ревизордиска ADinf
75) РевизорADinf позволяет обнаружить появление любого вируса, включая стелс-вирусы,вирусы-мутанты и неизвестные на сегодняшний день вирусы.
76) ПрограммаAdinf запоминает:
– информациюо загрузочных секторах;
– информациюо сбойных кластерах;
– длинуи контрольные суммы файлов;
– датуи время создания файлов.
77) Напротяжении всей работы компьютера программа ADinf следит за сохранностью этиххарактеристик. В режиме повседневного контроля ADinf запускается автоматическикаждый день при первом включении компьютера. Особо отслеживаются вирусоподобныеизменения, о которых немедленно выдается предупреждение. Кроме контроля за целостностьюфайлов, ADinf следит за создание и удалением подкаталогов: созданием,удалением, перемещением и переименованием файлов; появлением новых сбойныхкластеров; сохранностью загрузочных секторов и др. Перекрываются все возможныеместа для внедрения вируса в систему.
78) ADinfпроверяет диски, не используя DOS, читая их по секторам прямым обращениям вBIOS. Благодаря такому способу проверки Adinf обнаруживает маскирующиесястелс-вирусы и обеспечивает высокую скорость проверки диска.
79) Лечащийблок ADinf Cure Module – это программа,которая помогает «вылечить» компьютер от нового вируса, не дожидаясьсвежих версий полифагов Aidstest или Dr.Wed, которым этот вирус будет известен.
80) ПрограммаADinf Cure Module использует тот факт, что несмотря на огромные разнообразиявирусов существует совсем немного различных методов их внедрения в файлы. Вовремя нормальной работы, при регулярном запуске ревизора ADinf он сообщаетADinf Cure Module о том, какие файлы изменились с момента последнего запуска.ADinf Cure Module анализирует эти файлы и записывает в свои таблицы информацию,которая может потребоваться для восстановления файлов при заражении вирусом.Если заражение произошло, то ADinf заметит изменения и снова вызовет ADinf CureModule, который на основе анализа зараженного файла и сопоставления его сзаписанной информацией попытается восстановить исходное состояние файла.
3.4.4 Общие сведения обархивации файлов
Одним из наиболее широкораспространенных видов сервисных программ являются программы, предназначенныедля архивации, упаковки файлов путем сжатия хранимой в них информации.
Сжатие информации – этопроцесс преобразования информации, хранящейся в файле, к виду, при которомуменьшается избыточность в ее представлении и соответственно требуется меньшийобъем памяти для хранения.
Сжатие информации вфайлах производится благодаря устранению избыточности различными способами,например, за счет упрощения кодов, исключения из них постоянных бит илипредставления повторяющихся символов или последовательности символов в видекоэффициента повторения и соответствующих символов. Применяются различныеалгоритмы подобного сжатия информации.
Сжиматься могут как один,так и несколько файлов, которые в сжатом виде помещаются в так называемыйархивный файл (архив).
Архивация (упаковка) –помещение (загрузка) исходных файлов в архивный файл в сжатом или несжатомвиде.
Разархивация (распаковка)– процесс восстановления файлов из архива точно в таком виде, какой они имелидо загрузки в архив.
При распаковке файлыизвлекаются из архива и помещаются на диск или в оперативную память.
Архивный файл – этоспециальным образом организованный файл, содержащий в себе один или несколькофайлов в сжатом или несжатом виде и служебную информацию об именах файлов,дате и времени их создания или модификации, размеров и т. п.
Программами-архиватораминазываются программы, осуществляющие упаковку и распаковку файлов.
Целью упаковки файловобычно является обеспечение более компактного размещения информации на диске,сокращение времени и соответственно стоимости передачи информации по каналамсвязи в компьютерных сетях. Кроме того, упаковка в один архивный файл группыфайлов существенно упрощает их перенос с одного компьютера на другой, сокращаетвремя копирования файлов на диски, позволяет защитить информацию отнесанкционированного доступа, способствует защите от заражения компьютернымивирусами.
Самораспаковывающийсяархивный файл – это загрузочный исполняемый модуль, который способен ксамостоятельной разархивации находящихся в нем файлов без использованияпрограммы-архиватора.
Самораспаковывающийсяархив получил название SFX-архив. Архивы такого типа в MS-DOS обычно создаютсяв форме .EXE-файла.
Степень сжатия файловхарактеризуется коэффициентом Kc, определяемым как отношение объема сжатого файла Vc к объему исходного файла Vo, выраженное в процентах:
/>
Степень сжатия зависит отиспользуемой программы, метода сжатия и типа исходного файла. Наиболее хорошосжимаются файлы графических образов, текстовые файлы и файлы данных, длякоторых степень сжатия может достигать 5–40 %, меньше сжимаются файлыисполняемых программ и загрузочных модулей – 60–90 %. Почти не сжимаютсяархивные файлы. Программа для архивации отличается используемыми методамисжатия, что соответственно влияет на степень сжатия.
Большие по объемуархивные файлы могут быть размещены на нескольких дисках (томах) и называютсямноготомными. Том – это составная часть многотомного архива. Создавая архив изнескольких частей, можно записать его части на несколько дискет.
В настоящее времяприменяется несколько десятков программ-архиваторов, которые отличаютсяперечнем функций и параметрами работы, однако лучшие из них имеют примерно одинаковыехарактеристики. Из числа наиболее популярных программ можно выделить ARJ,PKPAK, LHA, ICE, HYPER, ZIP, PAK, ZOO, EXPAND, разработанные за рубежом, атакже отечественные AIN и RAR. Обычно упаковка и распаковка файлов выполняетсяодной и той же программой, но в некоторых случаях это осуществляется разнымипрограммами, например, программа PKZIP производит упаковку файлов, а PKUNZIP –распаковку файлов.
Программы-архиваторыпозволяют создавать архивы, для извлечения из которых содержащихся в них файловне требуются какие-либо программы, так как сами архивные файлы могут содержатьпрограмму распаковки и называются самораспаковывающимися.
Многиепрограммы-архиваторы производят распаковку файлов, выгружая их на диск, ноимеются и такие, которые предназначены для создания упакованного исполняемогомодуля (программы). В результате такой упаковки создается программный файл стеми же именем и расширением, который при загрузке в оперативную памятьсамораспаковывается и сразу запускается. Вместе с тем возможно и обратноепреобразование программного файла в распакованный формат. К числу такихархиваторов относятся программы RKLITE, LZEXE, UNP.
Управлениепрограммой-архиватором осуществляется одним из двух способов:
– с помощьюкомандной строки MS-DOS, в которой формируется команда запуска, содержащая имяпрограммы-архиватора, команду управления и ключи ее настройки, а также именаархивного и исходного файлов; подобное управление характерно для архиваторовARJ, AIN, ZIP, PAK, LHA и др.;
– с помощьювстроенной оболочки и диалоговых панелей, позволяющихся после запуска программывести управление с использованием меню и функциональных клавиш, что создает дляпользователя более комфортные условия работы. Такое управление имеетпрограмма-архиватор RAR.
Выполняя предписанные ейдействия, программа-архиватор, как правило, выводит на экран протокол своейработы. Все современные программы-архиваторы оснащены помощью, котораявызывается вводом в командной строке только одного имени программы или имени сключом /?.. Помощь может быть краткой – на одном экране или развернутой – нанескольких. Многие архиваторы имеют экраны помощи с примерами составлениякоманд для выполнения различных операций. Информация помощи обычно выводится наанглийском или другом международном языке.
3.5 Операционная система Windows
3.5.1 Общие сведения об операционной системе Windows
Microsoft Windows – это высокопроизводительная,многозадачная и многопотоковая 32-разрядная операционная система с графическиминтерфейсом и расширенными сетевыми возможностями, работающая в защищенномрежиме, поддерживающая 16-разрядные приложения без всякой их модификации.Windows 9х – интегрированная среда, обеспечивающая эффективный обмен текстовой,графической, звуковой и видеоинформацией между отдельными программами. Базовыефункциональные возможности Windows 9х перекрывают все, что заложено в MS-DOS,Windows 3.х и Windows для рабочих групп 3.х. Windows 9х – перваяполномасштабная операционная система семейства Windows, не требующая MS-DOS.Она полностью совместима с используемыми в настоящее время программными иаппаратными средствами.
Усовершенствования, внесенные в архитектуру Windows 9х,дают пользователю ряд преимуществ, основные из которых связаны со следующимипонятиями:
– интегрированнаяоперационная система;
– вытесняющаямногозадачность;
– многопоточность.
Ядро интегрированной операционной системы загружаемое вмомент включения компьютера, активизирует графический интерфейс пользователя иобеспечивает полную совместимость с операционной системой MS-DOS.
При использовании Windows 9х отпадает необходимость вотдельной копии MS-DOS.
Вытесняющая многозадачность – свойство операционнойсистемы самостоятельно в зависимости от внутренней ситуации передавать илизабирать управление у того или иного приложения.
81) ВWindows 3.х приложения работали в режиме кооперативной многозадачности, т. е.последовательно. Каждое приложение периодически самостоятельно проверялоочередь сообщений, чтобы при необходимости передать управление другомуприложению. Приложения, редко проверяющие очередь сообщений, забирали себепрактически все процессорное время.
82) ВWindows 9х для 32-битовых приложений используется механизм вытесняющеймногозадачности, основанный на многопоточности.
83) Многопоточность– свойство операционной системы выполнять операции одновременно над потокаминескольких 32-битовых приложений, называемых процессами.
84) Процесссостоит из потоков.
85) Поток– это некоторая часть процесса, которой может быть выделено процессорное времядля одновременного выполнения наряду с другими потоками того или иногопроцесса.
86) 32-битовыеприложения Windows 9х способны порождать или инициировать несколько потоковвнутри данного процесса. Каждый процесс состоит как минимум из одного потока.Многопоточное приложение значительно эффективнее в работе, быстрее реагирует надействия пользователя и выполняет многие операции в фоновом режиме.
87) Распределениевремени между активными приложениями в Windows 9х осуществляет ядро ОС, аподдержка вытесняющей многозадачности обеспечивает плавное переключение междуодновременно выполняемыми процессами и не позволяет одному приложению занятьвсе системные ресурсы.
88) Windows9х выполняет 32-битовые и MS-DOS-приложения в режиме вытесняющеймногозадачности, а 16-битовые приложения – в режиме кооперативноймногозадачности.
89) Везде,где не ущемляется совместимость с 16-битовыми приложениями и повышаетсяпроизводительность, Windows 9х использует 32-битовый код. Такие компоненты, какпланировщик, диспетчер памяти, подсистема ввода-вывода и драйверы устройств,являются 32-битовыми. Многие графические функции, включая печать, растеризациюшрифтов True Type, ключевые графические операции, переведены в 32-битовый код.Вместе с тем значительная часть кода User, осуществляющая управление окнами,оставлена для совмещения с существующими приложениями в 16-битовом формате.
Нарисунке 3.16 схематически показаны основные компоненты Windows 9х.
/>
/>/>/>Рис. 3.16.Архитектура системы Windows 9х
Системнаявиртуальная машина (или просто системная ВМ) – так называется входящая в составWindows 9х операционная среда, которая поддерживает работу всех Windows-приложений итаких подсистем Windows, как Интерфейс Графического Устройства(Graphics Device Interface, GDI).
32-разрядныеприложения Windows – это новые приложения, которые используют 32-разрядную модельпамяти 80386 процессора и подмножество разработанного Microsoft интерфейсаприкладного программирования Win32. В Windows 9х каждое изприложений Win32 имеет собственное адресное пространство, котороенедоступно другим приложениям. Windows 9х может управлять этими приложениями наоснове принципа вытесняющей многозадачности.
Оболочка– это 32-разрядное приложение Windows, которое обеспечиваетвзаимодействие пользователя с системой. Оболочка Windows 9х объединяет функции,знакомые по Windows 3.1, Диспетчера Программ, Диспетчера Файлов и ДиспетчераЗадач в одном приложении.
16-разрядные приложенияWindows – это «старые» приложения Windows. Они используют модельсегментной адресации памяти семейства процессоров Intel (модель памяти 80286процессора). Так же как, и в Windows 3.1, 16-разрядные приложения при работепод Windows 9х делят между собой единое адресное пространство и не могутуправляться в соответствии с принципом вытесняющей многозадачности. Microsoftназывает их «приложениями Win16».
Уровеньфункций Windows API (Application Program Interface) интерфейсаприкладного программирования Windows 9х обеспечивает полнуюсовместимость с существующим Windows 3.1 API, а такжеподдержку нового 32-разрядного API, который доступен только 32-разряднымприложениям Windows. 32-разрядное API являетсяподмножеством разработанного Microsoft интерфейса Win32, которыйвпервые появился в Windows NT и в Win32s-расширении дляWindows 3.1.
МодульWindows Kernel поддерживает необходимые Windows низкоуровневыефункции, такие как динамическое размещение памяти и др. В Windows 9х Kernel обеспечиваетсоответствующий сервис как для 16-разрядных, так и для 32-разрядных приложений.
МодульWindows GDI обеспечивает графические возможности Windows и поддерживаетработу с цветом, шрифтами и изобразительными примитивами для дисплея ипринтеров. В Windows 9х модуль GDI продолжаетподдерживать существующие 16-разрядные приложения, однако теперь он обладаетеще и множеством новых возможностей, которые доступны только 32-раз-ряднымпрограммам.
МодульUser – это диспетчер окон. Он занимается созданием и управлением видимыми наэкране окнами, диалоговыми окнами, кнопками и прочими элементами интерфейса Windows.
MS-DOS виртуальные машины (MS-DOS BM) обеспечиваютработу приложений MS-DOS под Windows. Так же, как ив Win-dows 3.1, пользователь может одновременно запуститьнесколько MS-DOS BM. В Windows 9х появилосьнесколько нововведений, которые позволяют пользователю более эффективноуправлять виртуальными машинами, однако в целом поддержка MS-DOS BM измениласьнезначительно.
Остальныемодули реализуют функции базовой системы.
Базоваясистема. Управление файловой системой в Windows 9хпретерпело ряд серьезных изменений. В Windows 3.1 файловойсистемой локального диска управляла MS-DOS, чтосущественно снижало производительность Windows. До тех порпока за управление файловой системой отвечала MS-DOS, внести в этотпроцесс какие-либо улучшения не представлялась возможным. В Windows 9х все обстоитсовсем по-другому, а именно MS-DOS уже неиспользуется для управления хранящимися на локальном диске файлами. Новаяфайловая подсистема обеспечивает набор интерфейсов, который делает возможнымсовместное использование различных файловых систем локальных дисков (включая ифайловые системы, хранящиеся на компакт дисках) и сетевых файловых систем.
Сетеваяподсистема представляет собой последнее воплощение разработанной Microsoft одноранговойсети, которая впервые появилась в Windows for Workgroups в 1992 г., а впоследствии и в Win-dows NT. Сетеваяподсистема осуществляет доступ к удаленным файлам при помощи новой файловойподсистемы. Фирмы-производители сетевого программного обеспечения могутподключать свои продукты к новой файловой подсистеме, что обеспечитпользователю одновременный доступ к нескольким сетям. Сама Windows поддерживаетпротоколы SMB, Novell и TCP/IP.
Сервисоперационной системы включает такие серьезные компоненты, как подсистемаконфигурирования аппаратных средств Plug and Play, а также наборвсевозможных полезных функций, вроде тех, что выдают информацию о текущих датеи времени.
Диспетчервиртуальной машины – это «сердце» операционной системы Windows. Он включаеткод, реализующий все действия базовой системы по управлению задачами,действиями над виртуальной памятью, загрузкой и завершением программ, а такжеподдержкой взаимодействия программ.
Драйверыустройств в Windows могут быть самыми разнообразными, в том числедрайверы реального режима и так называемые виртуальные драйверы, иливиртуальные драйверы внешних устройств (V×D). Некоторымпрограммам для поддержки отдельных аппаратных средств могут потребоватьсястарые драйверы MS-DOS реального режима, однако приразработке Windows одна из главных задач состояла в созданиидрайверов защищенного режима для мыши, приводов компакт-дисков и большинстважестких дисков.
Виртуальныедрайверы устройств, или V×D, помогаютнескольким приложениям совместно использовать одно устройство. Например, запускдвух приложений MS-DOS в отдельных окнах требует от системысоздания двух виртуальных машин MS-DOS, каждой изкоторых необходимо осуществлять вывод на единственный физический экран.Виртуальный драйвер экрана и должен обеспечивать возможность такого совместногоприменения. Термин «V×D» такжеиспользуется как общее наименование некоторых 32-разрядный модулей операционнойсистемы.3.5.2 Концепция виртуальных машин
Слово«виртуальный» очень часто входит в состав терминов, относящихся к Windows, поскольку воснове большинства возможностей, которыми обладает Windows, лежит именнообеспечение виртуальной среды для работы прикладных программ. Наиболее ценнойиз виртуальных возможностей является возможность поддержки виртуальных машин,на которых работают программы, поэтому очень важно правильно пониматьотносящуюся к данному вопросу терминологию и то, как виртуальные машины Windows реализованытехнически.
Прирассмотрении виртуальных машин Windows важно обратить внимание наследующие моменты:
– виртуальныемашины Windows. Это либо виртуальные машины MS-DOS, каждая из которых реализуетотдельный сеанс работы с MS-DOS, либо системная виртуальная машина, котораяобеспечивает контекст необходимых для работы всех приложений Windows;
– системнаявиртуальная машина все время работает в защищенном режиме. В Windows 3.1системная ВМ для того, чтобы могли выполняться программы MS-DOS, в определенныемоменты переключается из защищенного в виртуальный 8086-й режим, однако вWindows подобное происходит крайне редко;
– Windowsприменяет виртуальный 8086-й режим для запуска приложений MS-DOS. При этомсистема использует виртуальный 8086-й режим процессора для того, чтобыустановить управляемую защиту для кода, которому в противном случае необходимобыло бы работать в реальном режиме.
Независимоот того, имеете вы дело с MS-DOS или системнойвиртуальной машиной, которая поддерживает работу всех приложений Windows, мощность итекущий контекст виртуальной машины определяются теми ресурсами, которые ейвыделены. Каждая виртуальная машина включает в себя следующие компоненты:
– карту памяти, которая определяет, какой объем виртуальной памяти доступенпрограмме, выполняющейся в данный момент на этой виртуальной машине;
– контекст выполнения, который определяется состоянием регистроввиртуальной машины (регистров процессора прямого доступа, а также рядом другихуправляющих параметров, таких как, например, уровень привилегированного доступак процессору);
– набор ресурсов, доступных приложению, выполняющемуся на даннойвиртуальной машине. В пределах системной виртуальной машины каждое приложение Windows пользуетсяресурсами посредством функций Windows API, а навиртуальной машине приложение MS-DOS используетинтерфейс программных прерываний MS-DOS и можетпытаться непосредственно взаимодействовать с аппаратными средствами.
Рассмотримкарту памяти Windows как компонент виртуальной машины (рис. 3.17).
386-йпроцессор поддерживает четырехгигабайтное виртуальное адресное пространство, и Windows способнаиспользовать его целиком. В его пределах различные компоненты системы иприложения занимают участки с фиксированными границами. Одна из обязанностейДиспетчера виртуальных машин (Virtual Machine Manager – VMM) состоит вотображении этого четырехгигабайтного адресного пространства в доступнуюфизическую память.
90) Накарте системной памяти нижний мегабайт виртуального адресного пространстваиспользуется для работающей в данный момент MS-DOS ВМ. Кроме того, каждая ВМимеет в своем распоряжении еще и участок памяти в области между вторым итретьим гигабайтами. Подобное распределение памяти позволяет самой системеиспользовать память ВМ независимо от того, активна она или нет. Впрочем, когдаработает MS-DOS ВМ, ее память отображается в начало первого мегабайта.
/>
Рис. 3.17. Карта системной памяти Windows 9х
91) Впределах виртуального адресного пространства 32-раз-рядных приложенийстандартные средства разработки используют четвертый гигабайт как адресзагрузки по умолчанию. Можно, конечно, указать адрес и поменьше, однако этоприводит к серьезному увеличению объема вычисления, которые будут связаны стем, что системе придется производить пересчет адресов при загрузке приложений.Загрузка в адресное пространство, расположенное между четвертым и вторымгигабайтами, происходит мгновенно.
Этот четырехмегабайтныйадрес как нижняя граница памяти, в которую загружаются приложения,соответствует тому адресу, начиная с которого загружала 32-разрядные приложенияпервая версия Windows NT, поэтому такое решение разработчиков представляетсявполне разумным.
Системная виртуальнаямашина представляет собой работающую в защищенном режиме среду, в которойвыполняются все приложения Windows, а также основные компоненты графической подсистемыWindows. Взаимодействие между приложениями и Windows осуществляется посредствомсотен функций интерфейса прикладного программирования (API). Такого родаинтерфейс позволяет приложениям прибегать к услугам системы при помощи вызоваименованных функций, а не через пронумерованные прерывания, которые былидоступны приложениям MS-DOS. Связь между Windows-приложением иWindows-подсистемами осуществляется в момент загрузки программы, в процессе такназываемого динамического связывания.
Приработе с файловой системой Windows 3.1 полагается на MS-DOS, что хотя иявляется единственным примером зависимости Windows 3.1 от MS-DOS, представляетсобой слабое место системы. Такая зависимость от MS-DOS порождаетмного проблем, с которыми разработчики Windows борются уже втечение длительного времени. В Windows 9х все эти проблемы удалосьрешить путем замены файлового сервиса MS-DOS новойподсистемой защищенного режима.
92) Вседействия MS-DOS по работе с файлами реализуются путем программного прерыванияINT 21H, которое вызывает глобальную ошибку защиты (general protection fault),которую операционная система перехватывает и должным образом обрабатывает.Windows 3.1 временно переключает системную ВМ в виртуальный 8086-й режим, чтобыкод, содержащий инструкцию MS-DOS INT 21H, мог отработать корректно. Позавершении операции с файлом системная ВМ снова переключается в защищенныйрежим, и код приложения Windows продолжает выполняться.
Перехвативподобную ситуацию, Windows 9х передает ее для обработкидиспетчеру файловой системы, который работает в защищенном режиме. При этом непроисходит переключения из защищенного в виртуальный 8086-й режим, и приналичии работающего в защищенном режиме драйвера соответствующего целевогоустройства контекст системной ВМ на протяжении всех операции остаетсяконтекстом защищенного режима.
Виртуальныемашины MS-DOS – это точная копия работающего подуправлением MS-DOS компьютера. С точки зрения приложения, ВМ обладаетмегабайтом памяти, карта которой соответствует аппаратной карте памяти. Так,например, адресуемая напрямую видеопамять располагается, начиная с адресаВ8000H. Обычно контекст MS-DOS представляет собой отображенную в виртуальноеадресное пространство ВМ среду виртуального 8086-го режима с копией MS-DOS.
93) MS-DOSВМ настраиваются посредством ВМ, которую можно увидеть при помощи специальныхсредств отладки: эта ВМ никогда не содержит реально выполняющихся приложений.Она создается и настраивается в соответствии с начальным состоянием среды послетого, как завершится начальная загрузка системы и обработка инструкций,содержащихся в файлах CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT. Внутри скрытой BM содержитсявся глобальная для среды MS-DOS информация. Например, если перед запускомWindows в файле AUTOEXEC.BAT предусмотрен запуск резидентной программы, онабудет загружена и станет частью глобальной среды MS-DOS. Даже в Windows 9х,крайне мало зависящей от MS-DOS, можно использовать CONFIG.SYS для загрузкидрайверов устройств и AUTOEXEC.BAT для запуска резидентных программ, которые необходимо сделать частью глобальной средыMS-DOS.
Впоследствии,когда запускается приложение MS-DOS из Windows, системасоздает новую MS-DOS, а именно выделяет некоторый объемпамяти и соответствующие управляющие блоки, после чего копирует в новую ВМ всюглобальную среду, содержащуюся в скрытой ВМ. Это копирование означает, чтоисходное состояние новой MS-DOS ВМ в точностисоответствует тому состоянию компьютера, которое получили бы после еговключения и завершения процесса начальной загрузки. Подобное копирование из скрытойВМ также объясняет, почему изменения, вносимые в работу одной из виртуальныхмашин MS-DOS, никак не отражаются на работе других:как тех, что уже работают, так и тех, что будут запускаться позже.3.5.3 Архитектура файловой системы
Новаяархитектура файловой системы состоит из множества отдельных составляющих. Насамом деле называть ее «файловой системой» не вполне правильно. Онаимеет уровневую структуру, при этом на высшем уровне располагаетсяустанавливаемый диспетчер файловой системы Installable filesystem manager (IFS), а на низкомуровне – набор драйверов портов или драйверов минипортов, которыевзаимодействуют с отдельными аппаратными средствами. В пределах тойфункциональности, что обеспечивают указанные компоненты, система можетподдерживать несколько активных файловых систем. Некоторые из них (например FAT) Windows 9хподдерживает непосредственно. Поддержка файловых систем, разработанных не в Microsoft,осуществляется при помощи устанавливаемых модулей, которые поставляются самимифирмами-разработчиками. На рисунке 3.18 показаны все основные компонентыархитектуры файловой системы.
Выборуровневой управляемой IFS структуры должен был снять проблемы,связанные с использованием прерывания MS-DOS INT 21H какединственного интерфейса для всех действий файловой системы.
Нарисунке 3.18 показано весьма незначительное число уровней файловой системы,хотя именно эти компоненты должны присутствовать в стандартной системе.
Всегофайловая система поддерживает 32 уровня: от подсистемы ввода-вывода (I/O subsystem– IOS) и далее до аппаратных средств. При инициализации компоненты регистрируютсебя в IOS и объявляют уровни, на которых они хотели бы работать. Для тогочтобы работать на более чем одном уровне, модуль должен передать IOS различныеточки входа – по одной для каждого уровня. Над IOS располагаются файловыесистемы и устанавливаемый диспетчер файловой системы (IFS manager).
94) Основныефункции наиболее употребительных уровней и компоненты, которые могут в нихнаходиться:
95) />
Рис. 3.18. Уровни архитектуры файловой системы Windows 9х
ДиспетчерIFS находится на самом верхнем уровне и представляет собой единственный V×D,обеспечивающий интерфейс между запросами приложения и конкретной файловойсистемой, к которой обращается это приложение. Диспетчер IFS принимает какдинамические обращения к функциям API от приложений Win32, так и обращенияк прерыванию INT 21H, генерируемые Win16 или MS-DOS-приложениями.Диспетчер IFS преобразует эти обращения в обращения к следующемууровню – уровню файловой системы.
Работающаяна этом уровне VFAT представляет собой работающую взащищенном режиме реализацию FAT файловой системы. VFAT может служитьпримером драйвера файловой системы (filesystem driver – FSD). Каждый FSD поддерживаетопределенную организацию файловой системы и обслуживает запросы.Диспетчер IFS – это единственный модуль, который можетобращаться к FSD, приложения не могут обращаться к FSD напрямую.
Сампо себе VFAT – 32-разрядный модуль, написанный в видереентерабельного кода, что позволяет многим задачам параллельно выполнять одини тот же код файловой системы.
CDFS представляет собой реализованную в виде реентерабельного кода длязащищенного режима, соответствующую стандарту ISO 9660 файловуюсистему компакт-дисков. Это еще один пример FSD. В большинствеслучаев CDFS заменит резидентную программу MSCDEX, используемуюдля поддержки компакт-дисков, и таким образом все взаимодействие с приводамикомпакт-дисков будет проходить в защищенном режиме.
Подсистема ввода-вывода(IOS) – это высший уровень подсистемы блочных устройств. Модуль IOS постояннонаходится в памяти и обеспечивает другим компонентам файловой системыразнообразный сервис, включая перенаправление запросов и уведомлений отайм-аутах.
Драйвер отслеживаниятомов (Volume Tracking Driver – VTD) занимает следующий после IOS уровень иотвечает за управление сменными устройствами. Обычно такими устройствамиявляются дисководы для дискет, однако сервисом VTD может пользоваться любоеустройство, соответствующее «правилам сменности» Windows 9х. Основнаязадача VTD заключается в слежении за тем, чтобы в дисководе находился нужныйдиск или устройство. Если вытащить дискету из дисковода в то время, пока файлеще открыт, именно VTD просигнализирует об ошибке.
Драйверопределенного типа (Type Specific Driver – TSD) управляетвсеми устройствами какого-то одного типа, например, жесткими дисками илинакопителями на магнитной ленте. TSD проверяет запросы к устройству,которым он управляет и осуществляет преобразование входных параметров излогических в физические. Необходимо обратить внимание на то, что TSD в большейстепени относится к устройствам определенного логического типа, например, ксжатым дискам, нежели конкретным аппаратным средствам.
Драйверы,поддерживаемые поставщиками (Vendor Supplied driver – VSD) представляютуровень, на котором работают драйверы, перехватывающие запросы к конкретнымблочным устройствам. На этом уровне, например, можно частично изменитьповедение существующего драйвера блочного устройства, а не подключатьсовершенно новый драйвер. Хорошим примером потенциального VSD служит модульшифрования данных.
Драйверпорта (Port Draiver – PD) управляетконкретным адаптером. На персональном компьютере, оснащенном шиной ISA, будетработать драйвер порта IDE. Он занимается взаимодействием сустройством на самом низком уровне, включая инициализацию адаптера иобслуживание аппаратных прерываний.
SCSI-преобразователь (SCSIizer) преобразует запросы наввод-вывод в блоки команд формата SCSI. Обычно наэтом уровне будет присутствовать по одному SCSIizer-модулю накаждое SCSI-устройство, например, привод компакт-диска.
96) SCSI-диспетчер– это модуль, который позволяет применять в Windows 9х драйверы минипортовWindows NT. Это означает, что можно в буквальном смысле использовать одни и теже двоичные файлы драйверов как переводчика между драйвером минипорта WindowsNT и верхними уровнями файловой системы.
Драйверминипорта (Miniport Driver) – это модуль,специфичный для SCSI-устройств. Взаимодействуя со SCSI-диспетчером,он делает все то же самое, что и драйверы портов, но только для SCSI-адаптера.Драйверы минипортов Windows 9х строятся в соответствии с теми жеправилами, что и драйверы минипортов Windows NT.
Преобразователь(Mopper) защищенного режима – модуль, который позволяет использоватьсуществующие MS-DOS-драйверы в Windows, что оченьважно для обеспечения совместимости. Преобразователь защищенного режимамаскирует драйверы реального режима для обеспечения большей отдачи от модулейновой файловой системы таким образом, чтобы им не приходилось учитывать разницув интерфейсе.
Хранениедлинных имен
97) Требованиясовместимости, которым должна удовлетворять Windows 9х, означают, чтоневозможно просто изменить существующий формат хранения данных на диске,который применяется в FAT файловой системе.
Форматэлемента каталога FAT файловой системы для короткого имени файлапредставлен на рисунке 3.19.
/>/>
Рис. 3.19. Формат элемента каталога FAT
98) НоваяVFAT файловая система поддерживает как длинные, так и короткие имена и, если несчитать того, что она не использует поле «дата последнего измененияфайла», 32-байтный элемент каталога идентичен тому формату, которыйподдерживают предыдущие версии MS-DOS.
99) Методработы с длинными именами файлов строится на использовании байта атрибутаэлемента каталога для короткого имени файла. Установка младших четырех битэтого байта (значение OFH) задает элементу каталога атрибуты «только длячтения», «скрытый», «системный» и «меткатома» (read only, hidden, system file и volume). Добавление атрибута«метка тома» дает «невозможное» сочетание. Как это ниудивительно, проведенное Microsoft тестирование показало, что ни одна изсуществующих дисковых утилит не обратила внимания на такую комбинацию бит. Вотличие от других, не имеющих смысла комбинаций, заметив которые дисковыеутилиты пытаются «исправить» ошибку, эта (OFH) защищает элементкаталога от изменения.
В пределах одногокластера, в котором хранится информация о содержимом каталога, элемент сдлинным именем файла располагается в соответствии с форматом, который показанна рисунке. Длинное имя файла не может существовать без связанного с нимэлемента с коротким именем. Если имеет место такая ситуация, значит нарушенацелостность данных на диске.
Каждый32-байтный элемент, описывающий длинное имя файла, содержит порядковый номер (seguence number), защитныйбайт атрибута (protective attribute bute), значениетипа (type value) и контрольнуюсумму (checksum). Порядковый номер помогает Windows 9х узнатьо непоследовательном или некорректном изменении структуры каталога. 3.5.4 Интерфейс прикладного программирования (WindowsAPI)
Разнообразие функцийинтерфейса прикладного программирования Windows 9х является по меньшей меревсеобъемлющим. Windows 9х API представляет собой подмножество разработанногоMicrosoft интерфейса Win32, и он обеспечивает совместимость за счет поддержкиприкладных Windows-программ и приложений MS-DOS. С появлением Windows 9хMicrosoft рекомендует прекратить разработку 16-разрядных приложений и, желаяпобудить разработчиков сделать такой выбор, делает новые возможности системыWindows 9х доступными только для 32-разрядных приложений. Впрочем, длябольшинства разработчиков достаточным поводом для такого перехода может служитьодна только возможность наконец-то отказаться от использования сегментнойадресации памяти. Если добавить к этому те новые возможности, что доступнытеперь приложениям Win32, переход к 32-разрядному API становится весьмапривлекательным.
Windows поддерживаетсвои API при помощи трех главных компонентов системы – модулей Kernel, User иGDI. Kernel берет на себя большинство функций операционной системы, таких каквыделение памяти, управление процессами и пр.
Модуль User отвечает зауправление окнами в ходе работы Windows, а именно за создание и перемещениеокон, отправку сообщений, работу диалоговых окон, а также за бесчисленноемножество сопутствующих действий. GDI – мотор графики Windows – занимаетсярисованием, масштабированием шрифтов, управлением цветом и печатью.
Каждое приложениеWindows использует код этих модулей. В Windows 9х модули Kernel, User и GDIприсутствуют в системе резидентно в виде 16- и 32-разрядной реализации. Крометого, много кода используется совместно, как, например, 16- и 32-разрядныевоплощения CGI.
Доступ ко всем функциямWindows API осуществляется по имени – в противоположность принятой в MS-DOSсхеме пронумерованных прерываний. Для того чтобы обратиться к одной из функцийWindows-подсистемы, программисты попросту используют имя необходимой функции втексте программы, которую потом компилирует и компонует с соответствующимибиблиотеками, в результате чего получается готовое к работе приложений.
Если разобратьоткомпилированную для Windows программу, то обнаружится набор ссылок на функцииWindows API; ссылок, которые необходимы для того, чтобы Windows могла правильнозагружать приложения. Так делают все программы Windows. На самом деле модулиKernel, User и GDI – это не что иное, как динамически компонуемые библиотекиWindows (Dynamic Link Library – DLL). Windows интенсивно использует такиебиблиотеки, а метод, который позволяет приложению обращаться к DLL, называетсядинамическим связыванием (Dynamic Linking).3.5.5Компоненты подсистемы Plug and Play
Упроекта Plug and Play было несколькоосновных задач, которые должны были решить сама спецификация и любые еевоплощения. Самая главная цель состояла в том, чтобы не только облегчитьдобавление к системе новых аппаратных средств или изменение конфигурации ужеподключенных устройств, но и предельно упростить эти действия. Пользователиизменяют конфигурацию устройств быстрее, чем раньше и не испытывают при этомраздражения, а значит, гораздо меньше переживаний выпадает на долю группподдержки, в которые обычно звонят пользователи, если у них что-то неполучается. У разработчиков аппаратных средств появляется четкий стандарт,которому они могут следовать вместо того, чтобы пытаться самим решать всепотенциальные проблемы, связанные с установкой и конфигурированием. В случае есливсе новые аппаратные средства будут разрабатываться в соответствии состандартом Plug and Play, становитсявполне реальной ситуация, при которой все, что останется сделать для добавленияустройства к сис-теме – это подключить его и скопировать на жесткий дисквсе необходимое программное обеспечение. С существующим в настоящее времяпрограммным обеспечением достичь такого уровня простоты очень сложно, посколькуаппаратные средства не соответствуют стандарту Plug and Play. Впрочем,можно сделать очень многое в смысле улучшения программного обеспечения, истандарт Plug and Play действительноспособствует совершенствованию драйверов устройств, которые могут позволитьсуществующим соответствующим ISA аппаратным средствам поддаватьсяуправлению в среде Plug and Play.
СпецификацияPlug and Play насчитываетпять целей:
1. Простотаустановки и конфигурирования новых устройств.
2. Единыединамические изменения конфигурации.
3. Совместимость суже установленными устройствами.
4. Независимостьот аппаратных средств и операционной системы.
5. Упрощенность иповышенная гибкость аппаратной реализации.
Впределах подсистемы Plug and Playвзаимодействует множество модулей, основные из которых показаны на рисунке3.20.
Функциональноеназначение элементов:
1.Дерево аппаратных средств. Это база данных, вкоторой содержится информация о текущей конфигурации системы, стро-итсядиспетчером конфигурации и хранится в памяти. Каждая вершина дерева называетсяузлом устройства (device node) и содержитлогическое описание либо конкретного устройства, либо шины.
2..INF-файлы – это набор дисковыхфайлов, содержащих информацию о конкретных типах устройств. Например, в файле SCSI.INF хранитсяинформация обо всех известных SCSI-устройствах. В ходе установки новогоустройства, соответствующего Plug and Play, будетиспользован новый .INF-файл. Обычнотакой файл находится на дискете, поставляемой вместе с устройством.
/>
Рис. 3.20. Составляющие подсистемы Plugand Play
3.Реестр. Дерево аппаратных средств, которое описывает устройства, входит всостав реестра Windows 9х как поддерево.
4.События – это набор функций API, используюемыхдля уведомления об изменениях текущей конфигурации системы. В Windows 9х о событияхсигнализирует система сообщений. В других реализациях о них может сообщать одиниз компонентов операционной системы.
5.Диспетчер конфигурации. Этот модуль отвечает за построение базы данных, вкоторой содержится информация о конфигурации компьютера, помещаемой в реестр, иза уведомление драйверов устройств о том, какие ресурсы им выделены. Диспетчерконфигурации при работе системы представляет собой центральный модульподсистемы Plug and Play.
6.Энумератор (Enumerator). Это новыйтип драйвера, взаимодействующий с драйвером устройства и с диспетчеромконфигурации. Энумератор обслуживает конкретное устройство (обычно шину), ккоторому могут подключаться другие устройства. Скаждым описанным в дереве аппаратных средств устройством шины связан свойэнумератор. Особый энумератор (root enumerator), называемыйкорневым, входит в состав диспетчера конфигурации. Он помогает настраиватьустройства, которые не соответствуют стандарту Plug and Play.
7.Арбитр ресурсов. Этот модуль отвечает за управление выделением конкретныхресурсов и предотвращение конфликтов.
8.Plug and Play BIOS. Новаясистемная BIOS, которая поддерживает действия Plug and Play. Любоеустройство (например, видеоконтроллер) также может иметь свою BIOS,соответствующую стандарту Plug and Play. Кроме того, Plug and Play BIOS выступает вкачестве энумератора для материнских плат, и в этом качестве играет важную рольпри присоединении к докам портативных систем.
9.Драйверы устройств Plug and Play. Это драйверызащищенного режима, которые отвечают за управление устройствами и, кроме того,участвуют в работе подсистемы Plug and Play.
10. Интерфейс пользователя – набор стандартных диалоговых окон,служащих для получения информации в тех случаях, когда подсистеме Plug and Play дляконфигурирования необходима помощь пользователя. Они дают пользователювозможность ознакомитьсяс конфигурацией системы, которую строит подсистема Plug and Play.
11.Приложение. С точки зрения стандарта Plug and Play, это написаннаядля Windows 9х программа, которая способна воспринимать иобрабатывать сообщения системы о смене конфигурации.
Деятельностьподсистемы Plug and Play состоит,главным образом, в том, что она от имени различных устройств управляет четырьмявидами ресурсов:
1. Память. Речьидет о требованиях устройств к физической памяти, например, сколько страницпамяти нужно устройству и каковы ограничения по выравниванию.
2. Ввод-вывод. Этопорты ввода-вывода, через которые будет происходить работа с устройством. Информацияо конфигурации устройства включает перечень альтернативных наборов портов.
3. DMA – списокнеобходимых устройству каналов прямого доступа к памяти и любых альтернативныхканалов, которые оно может использовать.
4. IRO – требования устройства к линии запроса прерываний, альтернативные IRQ, а также сведения о том, может ли устройствоиспользовать IRQ как разделяемый ресурс.
ПодсистемаPlug and Play включаетмножество модулей, написанных на Си и Ассемблере. Большинство своих компонентовсистема загружает динамически. Главным элементом подсистемы Plug and Play являетсядерево аппаратных средств, описывающее текущую конфигурацию системы.
Допустим,что не вносилось никаких изменений в конфигурацию системы с того момента, когдав последний раз с ней работали. Посмотрим, что произойдет, если включитьпитание.
1.Системная BIOS «заглядывает» в энергонезависимое запоминающее ус/>тройство (СМ OS) и определяетконфигурацию компьютера. Затем BIOS конфигурирует все устройства, длякоторых ей удается обнаружить соответствующую информацию; в данном случае речьидет об устройствах материнской платы. При этом BIOS отключает всеадаптеры, для которых отсутствует информация о конфигурации.
2.Начинается процесс загрузки. Система по-прежнему работает в реальном режиме.Корневой энумератор диспетчера конфигурациииспользует поддерево аппаратных средств из реестра Windows для справки отом, какой должна быть конфигурация системы.
3.Корневой энумератор просматривает поддерево реестрав поисках информации об устройствах, не соответствующих стандарту Plug and Play. Обнаруживочередное такое устройство, он создает узел устройства и добавляет его к корнюхранящегося в памяти дерева аппаратных средств.Кроме того, корневой энумератор конфигурирует все те устройства, которые несконфигурировала BIOS.
4.Продолжается загрузка системы в реальном режиме. Системный загрузчикобрабатывает файл SYSTEM.INI и загружаетвсе указанные в нем статические виртуальные драйверы внешних устройств.
5.После этого загружаются остальные энумераторы.Например, BIOS отметила тот факт, что в состав системы входитшина ISA. В реестре указано, какой энумератор следуетзагрузить для данной шины.
6.Энумератор изучает подключенные к шине устройства и загружает либо статический V×D (если таковойнеобходим), либо еще один энумератор, если необходимо обследоватьдополнительную шину.
7.Теперь в памяти уже находятся все необходимые драйверы реального режима истатические V×D. Ядро операционной системы заканчиваетсвою собственную инициализацию и переключается в защищенный режим.
8.Запускается диспетчер конфигурации. Некоторые из подключенных к системеустройств уже полностью проинициализированы и ихдрайверы уже загружены. Про остальные устройства система уже знает, но ихдрайверы еще не загружены.
9.Диспетчер конфигурации загружает нужные энумераторы, которые, в свою очередь,изучают подключенные устройства и присоединяют к дереву аппаратных средствновые узлы. По окончании этого процесса диспетчер конфигурации загружаетдрайверы, соответствующие новым узлам устройств. Именно на этом этапестановится известно обо всех возможных конфликтах, и принимаютсясоответствующие решения.
10.Если после всех этих действий останется какое-нибудь неопознанное, неподдерживающее стандарт Plug and Play устройство, Windows начинаетпроцесс его установки, в ходе которого пользователю приходится помогать системеразобраться с конфигурированием. Если необходимости в этом не возникает,система начинает работать.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богумирский Б.Руководство пользователя ПЭВМ: В 2 ч. – СПб.: Ассоциация AILCO, 1992. — 298 с.
2. ГерасименкоВ. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных: в 2 кн.Книги 1, 2. — М.: Энергоиздат, 1994. — 576 с.
3. ГерасименкоВ., Малюк А. Основы защиты информации. — М.: МОПО, МИФИ, 1997. — 537 с.
4. Доктринаинформационной безопасности Российской Федерации от 9 сентября 2000 г. № Пр-1895.
5. Жигарев А. Основы компьютерной грамоты. — Л.: Машиностроение, 1988. — 285 с.
6. Информатика:Учебник / Под ред. проф Макаровой Н… — М.: Финансы и статистика, 1997. — 768 с.
7. Каранчук В. и др.Основы применения ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1988. — 276 с.
8. Копылов В.Информационное право: Уч. пособие. — М.: Юрист, 1997. — 472 с.
9. Медник С. ЗащитаЭВМ. — М.: Мир, 1982. — 263 с.
10. МельниковВ. Защита информации в компьютерных системах. — М.: Финансы истатистика, 1997. — 364 с.
11. СТИСО 2382/1–84.
12. ОстрейковскийВ. Информатика: Учебник для вузов. — М.: Высш. шк., 2000. — 508 с.
13. Петров В., Пискарев А., Шеин А.Информационная безопасность. Защита информации от несанкционированного доступав автоматизированных системах: Уч. пособие. Изд. 2-е, испр. и доп. — М.: МИФИ, 1995. — 84 с.
14. Романец Ю.В и др.Защита информации в компьютерных системах и сетях / Под ред. В.Ф. Шаньгина. –М.: Радио и связь, 1999. — 328 с.
15. Спесивцев А.,Вегнер В., Крутяков А., Серегин В., Сидоров В. Защита информации в персональныхЭВМ. — М.: Радио и связь, МП«Веста», 1992. — 192 с.
16. СоболеваТ. Тайнопись в истории России. — М.: Международные отношения, 1994.– 382 с.
17. Теория и практикаобеспечения информационной безопасности/ Под ред. Зегжды П… — М.: Издательство Агентства«Яхтсмен», 1996. – 192 с.
18. Федеральный ЗаконРоссийской Федерации от 20 февраля 1995г. № 24-ФЗ (с изменениями от 10января 2003 г.) «Об информации, информатизации и защите информации».
19. ХоффманЛ. Современные методы защиты информации: Пер. с англ. / Под ред.Герасименко В. А. — М.: Советское радио, 1980. — 263 с.
20. Цигичко В., Смолян Г. Оценка системинформационной безопасности. — М.: ИСА РАН, 1995. – 43 с.
21. Черешкин Д., Аносов В. и др.Концепция информационной безопасности Российской Федерации / Под ред. ЧерешкинаД. и Вирковского В… – М.: ИСА РАН, 1994. – 44 с.
22. Шураков В. Обеспечение сохранностиинформации в системах обработки данных. — М.: Финансы и статистика, 1985. — 224 с.
/>